diff --git a/content/Mathematischer_Hintergrund.tex b/content/Mathematischer_Hintergrund.tex index 240dab5..026cf6b 100644 --- a/content/Mathematischer_Hintergrund.tex +++ b/content/Mathematischer_Hintergrund.tex @@ -42,7 +42,7 @@ Anhand des Galton-Brettes lässt sich nun wie bereits beschrieben leicht erkenne \begin{proof} Der Beweis basiert im Wesentlichen auf drei Approximationen: Der Stirling-Formel für die Fakultäten, der Vereinfachung der Wurzelausdrücke für große $n$ sowie der Taylor-Entwicklung des natürlichen Logarithmus zur Herleitung der Exponentialfunktion. Diese 3 Approximationen werden in diesem Beweis als wahr angenommen, jedoch in der Folgenden Arbeit weiter analysiert und bewiesen. - \textbf{1. Anwendung der Stirling-Formel:}\\ + \textbf{1. Anwendung der Stirling-Formel:} \\ Wir beginnen mit der Definition der Binomialwahrscheinlichkeit: \[ P(S_n = k) = \frac{n!}{k!(n-k)!} p^k q^{n-k} @@ -60,70 +60,22 @@ Anhand des Galton-Brettes lässt sich nun wie bereits beschrieben leicht erkenne \item[(\ref{eq1:aufteilen})] Hier lässt sich die Gleichung intelligent aufteilen und etwas umstellen durch die Potenzgesetze, da gilt: $n^n = n^k \cdot n^{n-k}$ Außerdem lässt sich einmal $\sqrt{2\pi}$ Kürzen. \item[(\ref{eq1:zusammenfassen})] Ist das Resultat nach dem Sortieren der Brüche anhand der Exponenten \end{itemize} - \textbf{2. Substitution und Approximation der Wurzeln:} \\ - Um das breiter werden der Verteilung und das Abwandern des Erwartungswertes zu verhindern standardisieren wir die Zufallsvariable, indem wir - \[ - Z_n=\frac{S_n-E(X_n)}{\sigma(S_n)} = \frac{k-np}{\sqrt{npq}} - \] - definieren. Nun nimmt $Z_n$ Werte $z=\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$ an, nach $k$ und nach $n-k$ umgestellt heißt das - \begin{align*} - k = np + x\sqrt{npq} \\ - n-k = nq - x\sqrt{npq} - \end{align*} - Nun betrachten wir $k \cdot (n-k)$ für $n \rightarrow \infty$: - \begin{align} - k(n-k) &= (np + x\sqrt{npq})\cdot(nq - x\sqrt{npq}) \label{eq3:einsetzen}\\ - &= n^2pq + (nz\sqrt{nqp}(q-p)-z^2npq) \label{eq3:umstellen}\\ - &\overset{n\rightarrow\infty}{=}n^2pq \label{eq3:absch} - \end{align} - Im Folgenden werden die nummerierten Schritte der Gleichungsketten erläutert: - \begin{itemize} - \item[(\ref{eq3:einsetzen})] Formeln für $k$ und $n-k$ einsetzen - \item[(\ref{eq3:umstellen})] Distributivgesetz anwenden und nach Potenz von $n$ sortieren - \item[(\ref{eq3:absch})] $n^2$ geht für $n\rightarrow\infty$ schneller nach unendlich als die linearen Restterme. Folglich sind diese für die Abschätzung gegen unendlich vernachlässigbar. - \end{itemize} - Setzen wir dieses Ergebnis nun in das Zwischenergebnis von \cref{eq1:zusammenfassen} ein erhalten wir folgendes: - \begin{align} - P(S_n = k) &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac{n}{k(n-k)}} \left(\frac{np}{k}\right)^k \left(\frac{nq}{n-k}\right)^{n-k} \nonumber \\ - &\approx \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac{n}{n^2pq}} \left(\frac{np}{k}\right)^k \left(\frac{nq}{n-k}\right)^{n-k} \label{eq4:1}\\ - &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\frac{1}{\sqrt{npq}} \left(\frac{np}{k}\right)^k \left(\frac{nq}{n-k}\right)^{n-k} \label{eq4:2}\\ - &= \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}\left(\frac{k}{np}\right)^{-k} \left(\frac{n-k}{nq}\right)^{-n+k} \label{eq4:3} - \end{align} - Im Folgenden werden die nummerierten Schritte der Gleichungsketten erläutert: - \begin{itemize} - \item[(\ref{eq4:1})] Approximation verwenden - \item[(\ref{eq4:2})] $n$ Kürzen und Potenz-/Wurzelgesetze anwenden um Bruch zu vereinfachen - \item[(\ref{eq4:3})] Kehrwert der Brüche Bilden und Wurzeln zusammenfassen - \end{itemize} - Es ist bereits der korrekte konstante Faktor der Gaußschen Glockenkurve erkennbar. - \textbf{3. Taylor-Approximation des exponentiellen Teils:} \\ - Den restlichen Term formen wir um, indem wir ihn logarithmieren um im Anschluss die Approximationsformel für den Logarithmus verwenden zu können. Diese wird ebenso wie die Sterling-Formel im Anschluss bewiesen. - Hierzu betrachten wir folgendes zuerst einzeln: - \begin{align} - &\ln\left( \left(\frac{k}{np}\right)^{-k} \left(\frac{n-k}{nq}\right)^{-n+k} \right) \\ - &= -k \ln\left(\frac{k}{np}\right) - (n-k) \ln\left(\frac{n-k}{nq}\right) \\ - &= (np + x\sqrt{npq}) \ln\left(\frac{(np + x\sqrt{npq})}{np}\right) - (nq - x\sqrt{npq}) \ln\left(\frac{(nq - x\sqrt{npq})}{nq}\right) \\ - &= (-np - x\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{q}{np}}\right) + (-nq + x\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) \label{eq5:3} - \end{align} - Die Taylor-Approximation besagt: $ln(1-\alpha) \approx \alpha-\frac{\alpha^2}{2}$ und ein Rest, für den wir uns in dem Fall nicht interessieren, da wir die Approximation nach dem quadratischem Term abbrechen. %wieso O(n^3) egal? - Betrachten wir nun die Logarithmen für die Tailorapproximation näher: - \begin{align*} - \ln\left(1 + x\sqrt{\frac{q}{np}}\right) &\approx x\sqrt{\frac{q}{np}} - \frac{\left(x\sqrt{\frac{q}{np}}\right)^2}{2} \\ - &= x\sqrt{\frac{q}{np}} - \frac{x^2 q}{2np} - \end{align*} - und für den anderen ln analog: - \begin{align*} - \ln\left(1 - x\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) &\approx -x\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{\left(x\sqrt{\frac{p}{nq}}\right)^2}{2} \\ - &= -x\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{x^2 p}{2nq} - \end{align*} - Setzen wir dies nun zurück in \cref{eq5:3} ein, erhalten wir: - \begin{align} - &(-np - x\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{q}{np}}\right) + (-nq + x\sqrt{npq}) \ln\left(1+z\sqrt{\frac{p}{nq}}\right) \\ - &=(-np - x\sqrt{npq})(x\sqrt{\frac{q}{np}} - \frac{x^2 q}{2np}) + (-nq + x\sqrt{npq})(-x\sqrt{\frac{p}{nq}} - \frac{x^2 p}{2nq}) \\ - &=() - \end{align} %weiter ... \end{proof} +% Unsortiert: +\subsection{Stirling-Approximation} +\begin{satz}[Stirlingformel]{satz:stirlingformel} + Für $n\mapsto\infty$ gilt nach \textsc{Stirlings} Approximation, dass + \[ + n!\sim \sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^n + \] + Das bedeutet + \[ + \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n!}{\sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^n}=1 + \] +\end{satz} + +