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The Lumenary
Sendero del AsombroOpcional · nunca se calificaParte de Probability

Will the walker return?

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1

La pregunta

A walker tosses a fair coin every minute: heads, one step east; tails, one step west. Is she certain to come back to where she started? What if she can also step north and south — or up and down in space?

Prueba el experimento antes de seguir leyendo. No hay una forma equivocada de explorar.

2

Experimento

Laboratorio del azar

Cada caminante da pasos a izquierda o derecha al azar. La distancia típica al inicio crece como √n.

-20020020406080100pasosposición
  • 8 de los paseos
  • distancia cuadrática media (200 paseos)
  • ±√n (exacto)

Distancia cuadrática media tras 100 pasos

Simulado10,94

Exacto√100 ≈ 10

Simulación de 200 paseos de 100 pasos: distancia cuadrática media 10,94. El valor exacto es √n, cerca de 10.

Evidencia, no demostraciónEsta es una simulación de 200 paseos (ejecución 1) con un generador de números aleatorios con semilla. Es evidencia, no una demostración: los valores exactos vienen de las matemáticas, y una nueva ejecución da números algo distintos.

Exactamente: la media de (posición)² tras n pasos es n, así que la distancia cuadrática media es √n. Llegar el doble de lejos requiere cuatro veces más pasos.

3

Pistas, si las quieres

    4

    Qué está pasando

    Qué está pasando

    George Pólya answered this in 1921. On a line (one dimension) or a grid of streets (two dimensions), the walker returns home with probability 1 — in fact infinitely often. In three dimensions she does not: the chance of ever coming home is only about 0.340.34. A remark often attributed to Shizuo Kakutani puts it this way: a lost person will find their way home, but a lost bird may not.

    The reason is a sum. A walk returns home infinitely often exactly when the expected number of visits home is infinite, and that expected number is the sum, over all times, of the chance of being home then. After 2n2n steps the chance of being home behaves roughly like

    1πn  (on a line),1πn  (on a grid),a constant×n−3/2  (in space).\frac{1}{\sqrt{\pi n}} \;\text{(on a line)}, \qquad \frac{1}{\pi n} \;\text{(on a grid)}, \qquad \text{a constant} \times n^{-3/2} \;\text{(in space)}.

    The first two sums diverge — the second only just, like the harmonic series — so the walker comes home again and again. The third converges, so she may wander off for ever.

    There is a surprise even in one dimension: the walker is certain to return, yet the average time she takes to return is infinite. Random walks like these model the diffusion of molecules, stock prices, the spread of heat, and the search patterns of animals.

    Nota

    The simulation shows a finite number of walks for a finite time — evidence. Pólya's theorem is a proof about every walk forever.

    Probado computacionalmenteRedactado con IA · pendiente de revisión humana
    5

    Adónde lleva esto