Probabilidade de uma relação na distribuição uniforme de pontos no espaço 2D

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Suponha que um conjunto de nós esteja espalhado sobre uma superfície 2D S modo que, para qualquer , o número de nós dentro de siga uma distribuição Poisson com o parâmetro , ondemostra a área do subconjunto e é a intensidade dos pontos (número médio de pontos por unidade de área).ASA|A|ρ|A|Aρ

Estamos interessados ​​apenas nos pontos dentro de um determinado círculo com raio . O número de nós dentro do círculo é uma variável de Poisson com o parâmetro . Escolhemos dois nós de dentro do círculo aleatoriamente. Deixe e mostrar a distância do primeiro e do segundo nó do centro do círculo.rρπr2d1d2

Distribuição 2D

Como posso calcular a probabilidade do evento:

d12<d22A(1+Bd22)
que e são constantes.AB

Editar:

  1. Assuma e .A>0B>0

  2. Estou interessado no processo em si, não nos pontos gerados pelo processo (como descrito na resposta a seguir).

  3. Que tal o caso de e ser substituído por e para (acho que isso modifica o problema desde e não são mais distribuídos uniformemente).d12d22d1αd2αα>2d1αd2α

Hélio
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Dada a formulação do problema, parece que o número de pontos se fixos, dizem . Seja o número de pontos dentro do círculo. Você pode então verificar quantos pares satisfazem essa desigualdade, digamos . Portanto, se você escolher dois pontos aleatoriamente, a probabilidade de que eles satisfaçam a desigualdade é . Observe que estou considerando que se satisfaz a desigualdade, então também satisfaz a desigualdade. M < N kNM<Nkk/(M2)(p1,p2)(p2,p1)
2
Gostaria de saber como você está definindo uma distribuição "uniforme" em ? R2
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Então acho que esse é um problema diferente, mas agora um processo espacial de Poisson está bem definido. Você pode tentar formular o problema de acordo com seus novos interesses.
1
Qual é a diferença com um processo de ponto de Poisson?
Xian
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@ Xi'an: (+1) Tanto quanto eu posso dizer pela descrição, não é! :)
cardeal

Respostas:

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Há pelo menos duas interpretações: uma diz respeito aos pontos reais gerados por esse processo e a outra diz respeito ao próprio processo.

Se uma realização do processo de Poisson é dada e pares de pontos devem ser escolhidos a partir dessa realização, então não há nada a ser feito, exceto comparar sistematicamente todas as distâncias a todas as outras distâncias (um loop duplo sobre os pontos).

Caso contrário, se o procedimento pretender consistir em (i) criar uma realização do processo e (ii) selecionar um par de pontos aleatoriamente, as suposições implicam que os dois pontos são selecionados de maneira uniforme e independente do círculo. O cálculo para esta situação pode ser realizado de uma vez por todas.

Observe que as distâncias ao quadrado e são distribuídas uniformemente, de onde a probabilidade desejada ér1=d12r2=d22

p(a,b)=Pr(d12<d22a(1+bd22))=01dr20max(0,min(1,r2/(a(1+br2))))dr1.

O e podem ser manipulados dividindo-se em casos. Alguns valores especiais de e têm de ser tratadas. Como a integração é uma janela quadrada sobre uma região genericamente delimitada por linhas e lobos de uma hipérbole (com eixo vertical em e eixo horizontal em ), o resultado é direto, mas confuso; deve envolver expressões racionais em e e algumas funções hiperbólicas inversas (ou seja, logaritmos naturais). Eu fiz o Mathematica escrever:maxminab1/(ab)1/bab

b+1b(1a<01ab1b<1)(a<11ab<1b<1)1b(ab1)1ab=1a<1a2b+2ab+a22(ab1)b=0a>01ab>1blog(b+1)ab2a>01ab1b>1ab2+abablog(b+1)b+log(b+1)ab2(ab1)a>01ab1b1log(1ab)ab2a>01ab>1b1ab2+ab+log(1ab)ab2(1<b<0a>01ab>1)(b>0a>01ab>1)blog((b1)(ab1))ab2a<01ab>1

A integração numérica e a simulação nos intervalos e confirmam esses resultados.2a25b5

Editar

A questão modificado pede para substituir por e assume e ambos positivos. Ao fazer uma substituição , a região de integração permanece a mesma e o integrando se torna vez de . Escrevendo , obtemosdi2diαabri=diα(2/α)2(r1r2)2/α11θ=α/2

12a1/θ2F1(1θ,2θ;θ+2θ;b)

quando ou ; caso contrário, o resultado é(a>0a<1ab+a1)a1

a1θ(11ab)1θ+12a1θ(1ab)2/θ2F1(1θ,2θ;θ+2θ;1+1ab1)+1.

Aqui, é a função hipergeométrica. O caso original de corresponde a e, em seguida, essas fórmulas se reduzem ao quarto e sétimo dos oito casos anteriores. Eu verifiquei este resultado com uma simulação, deixando variar de a e cobrindo intervalos substanciais de e .2F1α=2θ=1θ13ab

whuber
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Talvez você possa esclarecer a redação da frase "Fornecido ...", pois não acredito que a primeira condição implique a segunda, se e , por exemplo. (Provavelmente, estou apenas entendendo mal o que você quis dizer.) #BA>0B<0
17/05/12 cardeal
Você está certo, @ cardinal: é claro que a desigualdade é revertida para valores negativos de . Isso fará com que substituamos a resposta por seu complemento, o que é bastante simples de fazer. Abster-me-ei de fazer quaisquer modificações, no entanto, até que mais erros sejam apontados por revisores como você :-). AB
whuber
A outra coisa que não faz sentido para mim é que a resposta final é invariante para . Basta levar . (Typo?) :)BB
cardeal
Além disso, qualquer resposta que você obtiver deve ser completamente invariável à norma escolhida em , ou seja, podemos substituir o círculo pelo disco induzido por qualquer norma sem afetar a probabilidade. Isso deve fornecer outra verificação de sanidade. R2
cardeal
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Obrigado whuber. Agora vejo por que o problema parece tão claro para os outros. Na verdade, estou procurando o segundo caso que você descreveu: "o próprio processo". e são ambos positivos. AB
Helium
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Esse problema pode ser resolvido decompondo-se em partes e usando as propriedades de um processo de Poisson .

Ele ajuda a lembrar como para gerar um processo de Poisson de intensidade em um subconjunto limitado de . Primeiro, geramos uma variável aleatória Poisson com taxaondedenota Lebesgue medida, e, em seguida, estes polvilhar pontos uniformemente no interior aleatória de .ρR2Nρ|A|||NA

Isto imediatamente nos diz que, enquanto , se escolhermos dois pontos (sem substituição) de forma aleatória, em seguida, estes dois pontos será independente e uniformemente distribuído em . Quando , temos que fazer algo e uma escolha natural é definir a probabilidade desejada como zero. Observe que isso acontece com a probabilidade Essa é a única parte do problema que depende da intensidade do processo de Poisson.N2AN<2

P(N<2)=(1+ρ|A|)eρ|A|.

Probabilidade condicional em{N2}

Estamos interessados ​​na probabilidade onde , e . Aqui e são os raios de dois dos nossos pontos distribuídos uniformemente que caem em .

p(A,B,r):=P(d12d22A(1+Bd22)),
A>0B>0A={x:x2r}d1d2A

Observe que, para um ponto distribuído aleatoriamente no disco do raio , a distribuição da distância da origem é , a partir da qual podemos ver que tem a mesma distribuição que onde . A partir disso, podemos reafirmar a probabilidade de interesse como rP(Dd)=(d/r)2D2r2UUU(0,1)

p(A,B,r)=P(U1U2A(1+Br2U2))=1(0<x<1)1(0<y<1)1(0<y<x/(A+ABr2x))dydx.

Essa integral se divide em dois casos. Para calcular, precisamos da integral geral

0txa+bxdx=1b(tablog(1+bt/a)).

Caso 1 : .A(1+Br2)1

Aqui vemos que para , então uA(1+Br2u)u[0,1]

p(A,B,r)=1ABr2(1log(1+Br2)Br2).

Caso 2 : .A(1+Br2)<1

Aqui a integral para divide em duas partes, pois em . Portanto, integramos até usando a integral geral e depois aderimos a uma área de adição de para a segunda peça. Portanto, obtemos p(A,B,r)uA(1+Br2u)[A/(1ABr2),1]t=A/(1ABr2)1A/(1ABr2)

p(A,B,r)=1Br2(11ABr2+log(1ABr2)ABr2)+1A1ABr2=1+1Br2(1+log(1ABr2)ABr2).

Muitas vezes uma imagem ajuda; Aqui está um que mostra um exemplo da região de integração para cada caso. Observe que está no eixo e no eixo .U1yU2x

Exemplos de cada caso

A probabilidade final de interesse é então, é claro, .(1(1+ρπr2)eρπr2)p(A,B,r)

Uma fácil generalização

Podemos facilmente generalizar o resultado para usar uma bola de formato diferente. De fato, para qualquer norma arbitrária em , a probabilidade condicional é invariável desde que utilizemos a bola induzida pela norma em vez do círculo!R2p(A,B,r)

Isso ocorre porque, independentemente da norma escolhida, o raio ao quadrado é distribuído uniformemente. Para ver por que, seja uma norma em e a bola de raio sob a norma . Observe que se e somente se . A escalada para cima ou para baixo da bola unitária é uma transformação linear e, por um fato padrão sobre a medida de Lebesgue, a medida de uma transformação linear de é já queδ()R2Bδ(r)={x:δ(x)r}rδrxBδ(r)xBδ(1)TBδ(1)

|Bδ(r)|=|TBδ(1)|=|det(T)||Bδ(1)|=r2|Bδ(1)|,
T(x)=rx=(rx1,rx2) neste caso.

Isso mostra que se para distribuído uniformemente em , então O leitor de olhos de águia notará que aqui usamos apenas a homogeneidade da norma e, portanto, um resultado semelhante se aplica em geral a distribuições uniformes em classes de conjuntos fechados sob uma transformação homogênea.D=δ(X)XBδ(r)

P(Dd)=|Bδ(d)||Bδ(r)|=(d/r)2.

Aqui está uma imagem com dois pontos selecionados. As normas mostradas são a norma euclidiana, norma, norma, e a norma para . Cada bola unitária é delineada em preto, e a maior bola dentro da qual os dois pontos selecionados aleatoriamente se encontram é desenhada na cor correspondente.1suppp=5

A probabilidade condicional é a mesma para cada imagem quando a distância é medida usando a norma correspondente.p(A,B,r)

Quatro normas

cardeal
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+1 Eu estava usando imagens semelhantes para resolver isso, mas na minha, é o eixo horizontal , não o vertical :-). Ajuda a padronizar a expressão para o domínio de integração; para e positivos , é , exibindo imediatamente o centro em e mostrando a escala com e . u1AB(x1/(AB))(y+1/B)<1/(A2B)(1/(AB),1/B)AB
whuber
@ whuber: (+1) Eu estava em cima do muro sobre fazer ou não isso. A razão pela qual segui as figuras que fiz foi evitar ter que introduzir o mapeamento inverso, que achei que pareceria mais confuso. Virar os eixos do que parecia mais natural me permitiu evitar isso. :)
cardeal