反射壁のあるランダムウォークの到達確率
次の様な反射壁のあるランダムウォークについて考える。このランダムウォークは原点からスタートし、コインを投げ表がでれば右へ裏がでれば左へ移動する。
ただし、原点においては裏がでた場合その場にとどまるものとする。(これを原点での反射と呼ぶ)
このとき、K回の反射があった後、時刻Nに状態Mへ到達する確率は?
この問題を解くためにまず、K回の反射があった後、時刻Nに状態Mへ到達する道の数を調べます。
原点に反射壁のあるランダムウォークにおいて、K回の反射があったという事を反射壁のないランダムウォークに置き換えると、最小値がKであるという事
に対応します。
また、K回の反射後は、時刻Nでの反射壁のあるランダムウォークの状態をPとすると時刻Nの反射壁のないランダムウォークの状態はP-Kです。
この反射壁のあるランダムウォークから反射壁のないランダムウォークへの置き換えは、1対1の対応であるため、
K回の反射があり時刻Nで状態Mに至る反射壁のあるランダムウォークの道の数=最小値がKであり時刻Nに状態M-Kに至る反射壁のないランダムウォークの道の数
となります。
このことは、反射の回数が1回の場合は明らかです。
1対1対応である事も明らかです。そこで、K回の反射後は、時刻Nでの反射壁のあるランダムウォークの状態をPとすると時刻Nの反射壁のないランダムウォークの
状態はP-Kである事を示します。
K-1回目までこの対応関係が成り立っていたと仮定します。
時刻NまでにK回の反射があるランダムウォークが時刻T<Nで原点にいてK回目反射によって時刻T+1<Nでも原点にいるならば、
反射壁のないランダムウォークの置き換えでは、時刻T<Nで-Kにいて時刻T+1<Nで-(K+1)となりKでも成り立ちます。
最小値がKであり、時刻Nに状態M-Kへ至る道の数は、(-K)に触れてから時刻Nに状態M-Kへ至る道の数から(-K-1)に触れてから時刻Nに
状態M-Kへ至る道の数を引けば求まります。
したがって、この問題の答えは、
となります。
ここで、コインの表のでる確率=コインの裏のでる確率=1/2の時、時刻2Nで反射壁のあるランダムウォークが原点に復帰する確率を求めます。
反射壁のあるランダムウォークが時刻2Nに状態Mにいるという事象は起こりうる反射回数の最大値をLとするとi回(i=0~L)の反射があり状態M
にいるという場合ごとに分けることができます。
そしてこれに対応する反射壁のないランダムウォークとして、時刻2Nに状態M-iにいて、M-iに至るまでの最小値がi(i=0~L)という場合
に分けることができます。
したがって、コインの表のでる確率=コインの裏のでる確率=1/2の時、この問題では、M=0 で、全てのi=0~Lを足し合わせればよい事
になります。
まず、i=0の場合、これは(時刻2Nで原点に復帰する道の数 )-(-1に触れてから時刻2Nに原点に復帰する道の数)で求まります。
さらに、i=2の場合、(時刻2Nで-2にいる道の数 )-(-3に触れてから時刻2Nに-2にいる道の数)等となります。
状態xからスタートした反射壁のないランダムウォークがT時間後に状態yに至る道の総数をT.x→yとし
状態xからスタートした反射壁のないランダムウォークがT時間後にuに触れてから状態yに至る道の総数をu/T.x→yと表しi=0~Lを足し合わせると
(2N.0→0)-(-1/2N.0→0)+(2N.0→-2)-(-3/2N.0→-2)+・・・+(2N.0→-L+2)-(-L+1/2N.0→-L+2)+(2N.0→-L)
となり(-i+1/2N.0→-i+2)=(2N.0→-i)であるから結局、初項のみが残り問題の答えが求まります。
次にコインの表のでる確率=コインの裏のでる確率=1/2の時、時刻2Nで反射壁のあるランダムウォークが状態M=2K(K>0)にいる確率を求めます。
(2N.0→2k)-(-1/2N.0→2k)+(-2/2N.0→2k-2)-(-3/2N.0→2k-2)+・・・
・・・+(-L+2/2N.0→2k-L+2)-(-L+1/2N.0→2k-L+2)+(-L/2N.0→2k-L)
となり(-i+1/2N.0→2k-i+2)=(-i/2N.0→2k-i)であるから結局、初項のみが残り問題の答えが求まります。
同様の計算によってM=2K-1(K>0)の場合も求まり、
反射壁のあるランダムウォークが時刻2Nで状態2Kにいる確率=反射壁のあるランダムウォークが時刻2Nで状態2K-1にいる確率(K=1~N)
さらに、反射壁のあるランダムウォークが時刻2N-1で状態2K-1にいる確率=反射壁のあるランダムウォークが時刻2N-1で状態2K-2にいる確率(K=1~N)
となります。
トップページへ