Kupon toplayıcısının problemi

Kupon toplayıcısının problemi bir olasılık kuramı pratik problemi olarak "bütün kuponları topla ve ödün kazan" tipli yarışmalar için olasılık modeli içerir. Sorulan soru şöyle ifade edilebilir: 
Yarışma için n sayıda kupon olduğu kabul edilsin ve kuponların geri koyup tekrar seçme ile toplandığı varsayılsın. Bütün n kuponları toplamak icin t sayıda örneklem deneysel seçiminden daha fazla sayıda seçim yapılması gerekliliğinin olasılığı nedir?" 
Bu problemin matematik analizi gereken deneysel seçimin beklenen sayısının
 haddinde büyüyeceğini açıklamaktadır. Örneğin n=50 olursa bütün 50 kuponun toplanması için gereken örneklem yaklaşık sayısı 225 olmalıdır.

Problemin anlaşılması 

Bu problemi çözmeye anahtar ilk düşük sayıda kuponun toplanması zamanının çok küçük olduğudur.
Son birkaç kuponun toplanması ise, buna tam karşıt olarak, gayet çok zaman alması gerekmektedir. Örnegin 50 kuponlu bir problem için 49uncu kuponu topladıktan sonra 50. kuponu bulmak için asgari 50 deneysel seçim yapmak gerekmektedir. Beklenen zaman dönemini hesap edebilmek için toplam zamanı 50 zaman aralığına bölmek gerekmektedir.

Çözüm

Bekleyişin hesaplanması 

Tum n kuponu toplamak icin gerekli zaman T olarak ve ti i - 1 kupon toplandıktan sonra iinci kuponu toplamak için gerekli zaman olduğu kabul edilsin. T ve ti rassal değişkenler olarak görülebilir. i - 1 kupon elde bulunduğu verilmiş ise bir yeni kuponu toplama olasılığı
 
'pi = (n - i + 1)/nolduğu gözümlenebilir. Bundan dolayı ti beklenen değeri 1/pi olan bir geometrik dağılım gösterir. beklenen değerlerin doğrusallığı dolayısıyla şu yazılabilir:
 

Burada Hn bir harmonik sayı olur ve harmonik sayıların "asimptotik" özelliğini kullanarak, şu ifade bulunur:

Burada  Euler–Mascheroni sabiti olur.

Şimdi Markov eşitsizliği kullanarak istenilen olasılık sayısı için sınırlar konulur:

 Varyansın hesaplanması ti rassal degişkenlerinin bağımsızlığı özelliği kullanılarak şu elde edilir:

Burada son eşitlilik baz problem olarak anılan Riemann zeta fonksiyonunun değeridir.

Şimdi istenilen olasılık değerine sınırlar koymak için Çebişev eşitsizliği kullanılır:

 Kuyruk kestirimleri 

Diğer bir yaklaşım kullanılarak başka bir yukarı sınır ifadesi de elde etmek mümkündür: İlk 
 sayıda deneysel seçimde -inci kuponun ele geçmeme olayı  ile ifade edilsin. O zaman

Böylece, , için şu elde edilir .

 Olasılık üretici fonksiyonları ile bağlantı 

Kupon toplayıcısının problemini çözmek için üretici fonksiyon yaklaşımı da kullanılabilir.

 Ayrıca bakınız 

 Watterson kestirmcisi

 Kaynakça 

 Paul Erdős ve Alfréd Rényi, "On a classical problem of probability theory (Olasılık kuramında bir klasik problem)", Magyar Tud. Akad. Mat. Kutato Int. Kozl,'' 1961.

Dış bağlantılar 

 İngilizce Wikipedia'da Coupon collector's problem maddesi   (Erişim tarihi: 30.8.2009)
 Kupon toplayıcı problemi Wolfram gösterimler projesi içeriğinde Mathematica komputer paketi uygulaması   (Erişim tarihi: 30.8.2009)
 Kupon toplayıcı problemi için küçük bir Java applet    (Erişim tarihi: 30.8.2009)
 Bir kupon toplayıcı kaç tane tek, çift, üçlü vb. beklemelidir.  Doron Zeilberger tarafından küçük bir not  (Erişim tarihi: 30.8.2009)

Olasılık teoremleri
Oyun teorisi