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  • poj 2096 Collecting Bugs (概率dp 天数期望)

    题目链接

    题意:

    一个人受雇于某公司要找出某个软件的bugs和subcomponents,这个软件一共有n个bugs和s个subcomponents,每次他都能同时随机发现1个bug和1个subcomponent,问他找到所有的bugs和subcomponents的期望次数。

    一个软件有s个子系统,会产生n种bug
       某人一天发现一个bug,这个bug属于一个子系统,属于一个分类
       每个bug属于某个子系统的概率是1/s,属于某种分类的概率是1/n
       问发现n种bug,每个子系统都发现bug的天数的期望。

    分析:

    期望倒着推,概率正着推。

    dp[i][j]表示已经找到i种bug,并存在于j个子系统中,要达到目标状态的天数的期望。
    显然,dp[n][s]=0,因为已经达到目标了。而dp[0][0]就是我们要求的答案。
    dp[i][j]状态可以转化成以下四种:
    dp[i][j] 发现一个bug属于已经找到的i种bug和j个子系统中
    dp[i+1][j] 发现一个bug属于新的一种bug,但属于已经找到的j种子系统
    dp[i][j+1] 发现一个bug属于已经找到的i种bug,但属于新的子系统
    dp[i+1][j+1]发现一个bug属于新的一种bug和新的一个子系统
    以上四种的概率分别为:
    p1 = i*j / (n*s)
    p2 = (n-i)*j / (n*s)
    p3 = i*(s-j) / (n*s)
    p4 = (n-i)*(s-j) / (n*s)

    要注意分子分母到底是哪一个,代表什么。


    又有:期望可以分解成多个子期望的加权和,权为子期望发生的概率,即 E(aA+bB+...) = aE(A) + bE(B) +...
    所以:
    dp[i,j] = p1*dp[i,j] + p2*dp[i+1,j] + p3*dp[i,j+1] + p4*dp[i+1,j+1] + 1;

    移项整理得:
    dp[i,j] = ( 1 + p2*dp[i+1,j] + p3*dp[i,j+1] + p4*dp[i+1,j+1] )/( 1-p1 )  

    = ( n*s + (n-i)*j*dp[i+1,j] + i*(s-j)*dp[i,j+1] + (n-i)*(s-j)*dp[i+1,j+1] )/( n*s - i*j )

     1 #include <iostream>
     2 #include <cstdio>
     3 #include <cstring>
     4 #include <cstdlib>
     5 #include <cmath>
     6 #include <algorithm>
     7 #define LL __int64
     8 const int maxn = 1000+10;
     9 using namespace std;
    10 double d[maxn][maxn];
    11 
    12 int main()
    13 {
    14     int n, s, i, j;
    15     while(~scanf("%d%d", &n, &s))
    16     {
    17         memset(d, 0, sizeof(d));
    18         d[n][s] = 0;
    19         for(i = n; i >= 0; i--)
    20         for(j = s; j >= 0; j--)
    21         {
    22             if(i==n && j==s) continue;
    23             d[i][j] = (1 + d[i][j+1]*(i*1.0/n*(s-j)*1.0/s)+
    24             d[i+1][j]*(j*1.0/s*(n-i)*1.0/n)+
    25             d[i+1][j+1]*((n-i)*1.0/n*(s-j)*1.0/s))*1.0/(1.0-(i*j)*1.0/(n*s));
    26             //上面的式子是三种情况 和 最后乘的是为了达到i、j加一天的概率。
    27             //上面的递推式子简洁一点化简完是这样的:
    28             //dp[i][j]=(i*(s-j)*dp[i][j+1]+(n-i)*j*dp[i+1][j]+(n-i)*(s-j)*dp[i+1][j+1]+n*s)/(n*s-i*j);
    29         }
    30         printf("%.4f
    ", d[0][0]);
    31     }
    32     return 0;
    33 }

    贴一个很好的概率dp的分析(转载的链接):

    近年的acm竞赛中,数学期望问题常有涉及,在以前也常让本人感到很头疼,近来突然开窍,掌握了基本的分析方法,希望对大家有帮助。写得浅薄,可能数学上不够严谨,只供理解。

                首先,来看下期望有啥基本的公式。

    对离散型随机变量x,其概率为p,有简说期望类问题的解法 - Kicd - Kicds

    对随机变量AB, 简说期望类问题的解法 - Kicd - Kicds

    第二条式子是今天的主角,他表明了期望有线性的性质,简单理解就是期望之间可根据关系,简单运算(不严谨的理解)。 这就为我们解决一个期望问题,不断转化为解决另外的期望问题,最终转化到一个已知的期望上。

    举一个求期望最简单的例子,见下图。

    假设有个人在 1号节点处,每一分钟他会缘着边随机走到一个节点或者在原地停留,问他走到4号节点需要平均几分钟?

    简说期望类问题的解法 - Kicd - Kicds

     

    这是个简单的期望问题,我们用Ei(i=1,2,3,4) 表示从i号节点走到4号节点的数学期望值。根据题意对1号节点有

    E1=1/3*E1+1/3*E2+1/3*E3+1 

    表示 他下一分钟可以走到2或者3或在原地1,每个可能概率是1/3 ,注意是下一分钟,故要加上1.

    同理我们对节点23同样可以列出

    E2=(1/3)*E1+(1/3)*E2+(1/3)*E4+1 

    E3=(1/3)*E1+(1/3)*E3+(1/3)*E4+1 

     

    E4等于多少呢? 很明显E4=0 ④,因为他就是要到点4

     

    这样上面1234式其实就是组成了一组方程组,解方程组就可得出E1!!,用高斯消元,复杂度是O(n^3)

     

    从上述例子,我们可总结出如何解决期望类问题,根据题意,表示出各个状态的期望(上例的Ei,1234),根据概率公式,列出期望之间的方程,解方程即可。

     

    下面看用上述思路如何解决一道题(poj2096)

    原题见附件1。

    题意简述: 一个人受雇于某公司要找出某个软件的bugs和subcomponents,这个软件一共有n个bugs和s个subcomponents,每次他都能同时随机发现1个bug和1个subcomponent,问他找到所有的bugs和subcomponents的期望次数。

    我们用E(i,j)表示他找到了i个bugs和j个subcomponents,离找到n个bugs和s个subcomponents还需要的期望次数,这样要求的就是E(0,0),而E(n,s)=0,对任意的E(i,j),1次查找4种情况,没发现任何新的bugs和subcomponents,发现一个新的bug,发现一个新的subcomponent,同时发现一个新的bug和subcomponent,用概率公式可得:

    E(i,j)=1+(i*j/n/s)*E(i,j)+(i*(s-j)/n/s)E(i,j+1)+

    ((n-i)*j/n/s)*E(i+1,j)+(n-i)*(s-j)/n/s*E(i+1,j+1);

    这样根据边界就可解出所有的E(i,j),注意因为当我们找到n个bugs和s个subcomponents就结束,对i>n||j>s均无解的情况,并非期望是0.(数学上常见问题,0和不存在的区别)

    那这题是否也是要用高斯消元呢? 用高斯消元得话复杂度是O(n^3),达到10^18 根本是不可解的!!

    但其实,注意观察方程,当我们要解E(i,j)的话就需要E(i+1,j),E(I,j+1),E(i+1,j+1), 一开始已知E(n,s),那其实只要我们从高往低一个个解出I,j就可以了! 即可根据递推式解出所有的E(I,j) 复杂度是O(n),10^6 ,完美解决。程序见附件2

     

    从上面这道题,我们再次看到了解决期望问题的思路,而且是用到了递推解决问题,其实可递推的原因,当我们把各个状态当成是一个个节点时,概率关系为有向边,我们可看到,可递推的问题其实就是这个关系图是无环的!!那必须要用方程组解决的问题其实就是存在环!!!! 而且我还要指出的是用高斯消元的时候,要注意误差的问题,最好把式子适当的增大,避免解小数,否则误差太大,估计也会卡题。

    再加一个题,今天同学问我的笔试题:

     1 #include<iostream>
     2 #include<cstdio>
     3 #include<cstring>
     4 #include<cstdlib>
     5 #include<cmath>
     6 #include<algorithm>
     7 using namespace std;
     8 const int maxn = 1e5 + 10;
     9 double d[maxn];
    10 
    11 int main()
    12 {
    13     int n, i;
    14     while(cin>>n)
    15     {
    16         d[n+1] = 0;
    17         for(i = n; i >= 1; i--)
    18         {
    19             double p1, p2;
    20             p1 = double(i)/double(n);
    21             p2 = 1.0 - p1;
    22             d[i] = (p1*(d[i+1]+1.0)+p2)/(1.0-p2);
    23         }
    24         printf("%.4lf
    ", d[1]);
    25     }
    26     return 0;
    27 }
    28 /*今天同学问我的一个笔试题,题意:一个人和n个人相亲,随机有可能重复相亲,
    29 问把这n个人相亲完的次数?
    30 
    31 d[i] = d[i+1]*p1 + d[i]*(1-p1) + 1;
    32 d[i]为从i人到n人的期望,p1为和没相过亲的人相的概率。
    33 加一天d[i]有p1概率变为d[i+1],有(1-p1)概率还是d[i];
    34 */
    注意:这本来应该是初始化d[n] = 0,输出d[0]。因为n的状态到n的状态需要0次。
    但是如果这么算的话,就有i=0的时候,做分母不能算,所有就是初始化了d[n+1],输出d[1]。
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