Resaca de abeja

Oct 28 2020

Una abeja borracha aterriza en un hexágono completamente aleatorio de una gran sección triangular (representada a continuación) de su colmena, y luego cada segundo después, da un paso hacia un hexágono adyacente completamente aleatorio. ¿Cuánto tiempo, en promedio, tardará la abeja en escapar de esta región?

Este es mi propio resultado transformador de un problema de probabilidad existente. Pista: ¡La solución (para este caso dado) será un número entero!

Respuestas

10 PaulPanzer Oct 28 2020 at 17:41

Dejar $n$ ser del tamaño del triángulo y $(a,b,c)$ las coordenadas baricéntricas de un hexágono dado dentro de ese triángulo, de modo que $a+b+c = n+2$. Afirmo que el tiempo medio de escape$E$ al partir de ese hexágono es $\frac {3abc} {n+2}$(1). De hecho, tenemos el sistema de ecuaciones$E(a,b,c) = 1 + \frac{E(a+1,b-1,c) + E(a,b+1,c-1) + E(a-1,b,c+1) + E(a-1,b+1,c) + E(a,b-1,c+1) + E(a+1,b,c-1)} {6}$
y es sencillo comprobar que el $E$ dada por (1) satisface estas ecuaciones y las condiciones de contorno que son $E(a,b,c) = 0$ si $a=0 \vee b=0 \vee c=0$.

Queda por promediar los puntos de partida: $\langle E \rangle = \frac {2} {17\times 18} \sum_{a+b+c = 19} \frac {3abc} {19}$ La suma se puede reconocer como hasta los prefactores del coeficiente binomial $\begin{pmatrix}21 \\ 5 \end{pmatrix}$ flexible $\langle E \rangle = \frac {2} {17\times 18} \times \frac {3} {19} \times\begin{pmatrix}21 \\ 5 \end{pmatrix} = 21$

Para tener algo de intuición sobre la fórmula. $\begin{pmatrix}N+2n \\ 2n+1 \end{pmatrix} = \sum_{i_0,\ldots,i_n \ge 1, i_0+\ldots+i_n = N+n} i_0 \cdots i_n$recuerde que el coeficiente binomial en lhs puede interpretarse como el volumen (número de balas de cañón) en una pila de balas de cañón en forma de pirámide de 2n + 1 dimensión con N balas de cañón a lo largo de cada borde. Esto se puede mostrar mediante un argumento de barras y estrellas de rutina utilizando coordenadas baricéntricas.

Fuente: dominio público de wikipedia


Dejando a un lado las sutilezas de la discretización, proyectemos el $2n+1$-simplex (que tiene $2n+2$ coordenadas baricéntricas) a la $n$-simplex (que tiene $n+1$coordenadas baricéntricas) simplemente emparejando coordenadas y sumando pares. Ahora podemos preguntar cuál es la forma y el volumen del subconjunto del símplex grande que se asigna a un solo punto en el símplex pequeño. Se puede deducir que debe ser un (hiper) cuboide, pero tal vez sea más fácil mirar una imagen:

Fuente: wikipedia CC BY-SA 4.0 Tomruen