$k$-th minimum in a circle

智商亟需拯救。 \newcommand{\D}[0]{\mathrm{d}}

Problem

@fotile 问的一个题,我将题目改了下描述:

nn 个变量 x1,x2,…,xnx_1, x_2, \dots, x_n ,满足 0≤xi0 \leq x_i 且 ∑xi=1\sum x_i = 1 。求 xix_i 中第 kk 小值的期望。

Solution

积分吧。

我们先考虑最小值。枚举最小值,求最小值的 pdf(概率密度函数) 就好了。

令最小值的 pdf 为 f(n,x)f(n, x) ,由于时间关系(我还想睡觉)我就不说怎么求了(感觉比较好求)。

总之 balabala 可以得到

f(n,x)=n(n−1)(1−nx)n−2f(n, x) = n (n - 1) (1- n x)^{n-2}

然后考虑最小值。暴力积分可得

∫∗01nxf(n,x)\Dx=∫∗01nxn(n−1)(1−nx)n−2\Dx=n−1n∫∗01nx(1−nx)n−2\Dnx=n−1n∫∗01(1−x)xn−2\Dx=n−1n(1n−1−1n)=1n2\begin{array}{rl} & \int*{0}^{\frac{1}{n}} x f(n, x) \D x \\ = & \int*{0}^{\frac{1}{n}} x n (n-1) (1-nx)^{n-2} \D x \\ = & \frac{n-1}{n} \int*{0}^{1} nx (1-nx)^{n-2} \D nx \\ = & \frac{n-1}{n} \int*{0}^{1} (1-x) x^{n-2} \D x \\ = & \frac{n-1}{n} (\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n}) \\ = & \frac{1}{n^2} \end{array}

接下来就是求 kk 小值了。令 g(n,k)g(n, k) 表示 nn 个变量, kk 小值的期望。还是暴力积分。枚举最小值 xx ,再把剩下所有数全部减去 xx 后,可以得到剩下若干个变量的和是 1−nx1 - nx ,且这 n−1n - 1 个变量仍然是均匀分布的,第 k−1k - 1 小的期望是 (1−nx)g(n−1,k−1)(1 - nx) g(n - 1, k - 1) ,再加上 xx ,就是减去 xx 前这 nn 个数中第 kk 小的期望,也就是:

g(n,k)=∫∗01n(x+(1−nx)g(n−1,k−1))f(n,x)\Dx=∫∗01nxf(n,x)\Dx+∫∗01n(1−nx)g(n−1,k−1)f(n,x)\Dx=1n2+g(n−1,k−1)∫∗01n(n−1)(1−nx)n−1\Dx=1n2+(n−1)g(n−1,k−1)n\begin{array}{rl} & g(n, k) \\ = & \int*{0}^{\frac{1}{n}} (x + (1-nx) g(n - 1, k - 1)) f(n, x) \D x \\ = & \int*{0}^{\frac{1}{n}} x f(n, x) \D x + \int*0^{\frac{1}{n}} (1-nx) g(n - 1, k - 1) f(n, x) \D x \\ = & \frac{1}{n^2} + g(n - 1, k - 1) \int*{0}^{\frac{1}{n}} (n-1) (1-nx)^{n-1} \D x \\ = & \frac{1}{n^2} + \frac{(n - 1) g(n - 1, k - 1)}{n} \\ \end{array}

这样子是不好看的,于是还可以再化简一下:

ng(n,k)=1n+(n−1)g(n−1,k−1)n g(n, k) = \frac{1}{n} + (n-1) g(n - 1, k - 1)

聪明的同学把最小值的公式代入后发现 g(n,k)g(n, k) 有一个 closed-form:

g(n,k)=1n∑∗i=n−kn1i=Hn−H∗n−kng(n, k) = \frac{1}{n} \sum*{i = n - k}^n \frac{1}{i} = \frac{H_n - H*{n - k}}{n}

不知道是否有问题……@fotile @wzy @dyh

nonsense

感觉这个方法不难,为啥我就想了好久呢 T_T 反应速度大不如前。

智商亟待拯救。