問題
頂点a,b,c,dの正四面体がある.次の各問に答えよ.
(1) は,ある頂点から他の頂点に移動し,どの観測時刻においてもこれらの頂点のいずれかに存在している.が頂点dに存在する確率がという仮説をたてた.この仮説の正しさを調べるために,の位置を異なる時刻で10回観測したところ,そのうち6回頂点dに存在した.この仮説の正しさを有意水準5%で検定せよ.
(2) は,頂点aから出発し,1分毎に他の頂点へ等しい確率で進むものとする.分後にが頂点a,b,c,dに達する確率をそれぞれ,,,とする.
(ア) を求めよ.
(イ) 任意のに対して,であることを証明せよ.
(ウ) を求めよ.
方針
(1)は仮説が正しいとしたとき,10回中回以上頂点にいる確率を二項分布で計算し,有意水準と比較する。(2)は対称性を使う。頂点にいる確率だけをまず漸化式で求めると,残り3頂点の確率は等しい。を解き,もそこから出す。
解答
(1)
仮説が正しいなら,各観測でが頂点にいる確率はである。10回の観測で頂点にいる回数をとすると,は成功確率,試行回数の二項分布に従う。
観測された値は回である。仮説のもとで回以上となる確率は
である。計算すると である。これはより小さい。
したがって,この観測結果は仮説のもとでは起こりにくい。よって有意水準で,が頂点に存在する確率がであるという仮説は棄却される。
(2)(ア) は1分ごとに現在いる頂点以外の3頂点へ等確率で移る。頂点にいる確率をとおく。分後ににいるには,分後に以外にいて,そこからへ移ればよい。したがって である。初期値はである。 なので である。したがって
である。
(イ)
頂点と頂点は,出発点および移動規則に対して完全に対称である。より具体的には,との名前を入れ替えても,出発点も移動の確率も変わらない。したがって任意のについて,頂点にいる場合と頂点にいる場合は同じ確率で起こる。
よって である。
(ウ)
同じ対称性により,頂点以外の3頂点にいる確率は等しい。したがって である。(ア)の結果を代入して
である。