数学建模(1)——小剧场入座问题

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数学建模(1)——小剧场入座问题

江景景景页   2021-03-03 我要评论
题目如下: > 小剧场一排有$n$个座位,由于各排之间空隙较小,如果某座位已有人入座,则入座者必须起身才能让后来者通过该座位。若一与会者进入会场时该排有若干个座位可供其选择,则他以相等的概率选择其中一个座位就坐。 > > 1. 若该排座位只有左侧一个入口,所有与会者一旦就坐就不愿起身让后来者通过。记$E_n$为该排最终入座人数的期望,试写出$E_n$满足的递推关系,并求$E_n$; > 2. 若该排座位左右两侧均有入口,所有与会者以$p$的概率起身让后来者通过,以$1-p$的概率不让后来者通过(如果与会者第一次选择了起身,则之后所有选择都是起身;如果与会者第一次选择了不起身,则之后所有选择都是不起身。即概率判定只有一次)。记$F_n$为该排最终入座人数的期望,试写出$F_n$满足的递推关系。 本题使用递推法求解,其思想在于,将入座过程划分为第一个人入座,和其他人入座的两个步骤。 对于第一小题,最简单的情况是,小剧场一排只有一个座位,即$n=1$,此时座位一定能容纳一个人,即$E_1=1$。如果$n=2$,则按照上述的划分步骤,第一个人可能以$1/2$的概率选择坐在第一个位置,这时候如果后面再有人来,后来者也不能坐在里面的第二个位置了;但第一个人也可能以$1/2$的概率坐在第二个位置,这时候后面如果再有人来,后来者还可以坐在第一个位置,所以 $$ E_2=\frac{1}{2}(1+2)=1+\frac{1}{2}. $$ 当$n=3$的时候,情况稍微复杂一些。如果第一个人坐在第一个位置,那么这排就不能再坐人,而如果第一个人坐在第二个位置,则这排一定能、也只能再容纳一个人。但如果第一个人坐在第三个位置呢?此时,这个人坐下之后,小剧场还有两个位置是能坐人的,但这两个位置不一定能坐下两个人(也许第二个人就坐在了第一个位置),此时我们不需要再讨论,因为我们已经计算过小剧场有两个位置能坐人时的期望$E_2$,因此我们能得到以下的算式: $$ E_3=\frac{1}{3}(1+2+E_2)=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}. $$ 现在我们使用递推的思想来计算$E_n$,这意味着我们在计算$E_n$之前,$E_1,E_2,\cdots,E_{n-1}$都是已知的,并且规定$E_0=0$。现在,一排有$n$个座位,第一个人以$1/n$的概率坐在每一个座位上,当它坐在第$k$个座位上时,第$k$个至第$n$个座位都不能坐人,也就是只有前$k-1$个座位能坐人,这$k-1$个座位能坐下的人的期望是$E_{k-1}$。于是,我们得到以下的等式: $$ E_n=\sum_{k=1}^{n}\left[\frac{1}{n}\left(1+E_{k-1} \right) \right]=1+\frac{1}{n}\sum_{k=1}^nE_{k-1}. $$ 求解此式,有 $$ E_{n+1}=1+\frac{1}{n+1}\sum_{k=1}^{n+1}E_{k-1}=1+\frac{n(E_n-1)+E_n}{n+1}, $$ 即 $$ E_{n+1}-E_n=\frac{1}{n+1},\\ E_n=\sum_{j=1}^{n}\frac{1}{n}. $$ --- 第二小题与第一小题稍有不同,加入了两个变数:一是让摆放着以$p$的几率为“好人”(这样它每次都会让座),二是剧场的通道变成了两侧进入。第一个变化对题目造成的影响是,如果第一个进入的是好人,则此时还有$n-1$个座位是可用的;第二个变化对题目造成的影响是,如果第一个进入的人以$1-p$几率为“坏人”并坐在第$k$个位置上,剩余的可用座位除了前面$k-1$个外,后面的$n-k$个也是可用的。 依然用递推式给出结果,此时$F_n$满足的式子是 $$ F_n=\sum_{k=1}^{n}\left[\frac{1}{n}\bigg(1+pF_{n-1}+(1-p)(F_{k-1}+F_{n-k}) \bigg) \right]. $$ 此式难以解析给出,可通过计算机模拟给出$F_n$的近似数值。

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