Suponha que um conjunto de nós esteja espalhado sobre uma superfície 2D 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).
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.
Como posso calcular a probabilidade do evento:
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Assuma e .
Estou interessado no processo em si, não nos pontos gerados pelo processo (como descrito na resposta a seguir).
Que tal o caso de e ser substituído por e para (acho que isso modifica o problema desde e não são mais distribuídos uniformemente).
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Respostas:
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=d21 r2=d22
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:max min a b 1/(ab) −1/b a b
A integração numérica e a simulação nos intervalos e confirmam esses resultados.−2≤a≤2 −5≤b≤5
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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 , obtemosd2i dαi a b ri=dαi (2/α)2(r1r2)2/α−1 1 θ=α/2
quando ou ; caso contrário, o resultado é(a>0∧a<1∧ab+a≥1) a≥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 .2F1 α=2 θ=1 θ 1 3 a b
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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 .ρ R2 N ρ|A| |⋅| N A
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.N≥2 A N<2
Probabilidade condicional em{N≥2}
Estamos interessados na probabilidade onde , e . Aqui e são os raios de dois dos nossos pontos distribuídos uniformemente que caem em .
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 comor P(D≤d)=(d/r)2 D2 r2U U∼U(0,1)
Essa integral se divide em dois casos. Para calcular, precisamos da integral geral
Caso 1 : .A(1+Br2)≥1
Aqui vemos que para , entãou≤A(1+Br2u) u∈[0,1]
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, obtemosp(A,B,r) u≥A(1+Br2u) [A/(1−ABr2),1] t=A/(1−ABr2) 1−A/(1−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 .U1 y U2 x
A probabilidade final de interesse é então, é claro, .(1−(1+ρπr2)e−ρπr2)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!R2 p(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(⋅) R2 Bδ(r)={x:δ(x)≤r} r δ rx∈Bδ(r) x∈Bδ(1) T Bδ(1)
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) X Bδ(r)
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.ℓ1 sup ℓp p=5
A probabilidade condicional é a mesma para cada imagem quando a distância é medida usando a norma correspondente.p(A,B,r)
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