泊松分布的期望和方差_泊松分布

定义

【1】独立事件在给定区间内随机发生,给定区间为时间或空间

【2】已知该区间内的事件平均发生次数(发生率),用希腊字母 λ(lambda)表示。

举例

某电影院的爆米花机总是坏,顾客们很不高兴。下星期电影院有一个大型促销活动,经理希望爆米花机不要出状况,已知爆米花机每一周的平均故障次数为3.4,或者说爆米花机的故障率为3.4。那么爆米花机下一周不发生故障的概率有多大?泊松分布就是用来解决这类问题的。

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用X表示给定区间内的事件发生次数,如果X符合泊松分布,且每个区间内平均发生λ次,或者说发生率为λ,则写作:

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省去推导过程,直接给出概率公式:

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泊松分布的期望和方差

如果X~Po(λ) ,则E(X)为给定区间内能够期望的事件发生次数,对于爆米花机来说,为在一周内能够期望的机器损坏次数,也就是说,E(X)是给定区间内的事件平均发生次数。

因此泊松分布的期望和方差非常的简洁,因为它的期望和方差都等于λ。

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泊松分布的形状

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泊松分布的形状随着λ的数值发生变化。λ小,则分布向右偏斜,随着λ变大,分布逐渐变的对称。如果λ是一个整数,则有2个众数,λ和λ-1,如果λ不是整数,则众数为λ。

例题

某电影院的爆米花机总是坏,顾客们很不高兴。下星期电影院有一个大型促销活动,经理希望爆米花机不要出状况,已知爆米花机每一周的平均故障次数为3.4,或者说爆米花机的故障率为3.4。

(1)下一周爆米花机不发生故障的概率是多少?

P(X=0) = e^-λ / r!

= e^-3.4 x 3.4^0

=e^-3.4 = 0.033

(2)下一周爆米花机发生3次故障的概率是多少

P(X = 3) =e^-3.4 x 3.4^3 / 3!

=e^-3.4 x 39.304 / 6

=0.033 x 6.55 = 0.216

(3)爆米花机发生故障的期望和方差是多少?

E(X) = λ =3.4

Var(X) = λ =3.4

组合泊松变量

假如我们不止有爆米花机,还有饮料机,饮料机每周发生故障的平均次数2.3,求下个星期两个机器总故障次数为0的概率。

我们把爆米花机故障事件设为X,饮料机故障事件设为Y,即求P(X+Y=0)

因为X和Y是独立变量,因此:

P(X+Y) =P(X)+P(Y)

E(X+Y) =E(X)+E(Y)

所以总故障事件可以写作:X+Y~Po(λx+λy),此事件的λ=3.4+2.3=5.7

P(X+Y=0) = e^-5.7 x5.7^0 / 0!

=e^-5.7 x 1/1 =0.003

泊松分布与二项式分布的关系

举例:小红在曲奇饼厂工作,她的工作是确保每一盒饼干都符合工厂严格的质量要求,她知道每块饼干发生破碎的概率为0.1,她的老板要求她求出一盒容量为100块的饼干的盒子里出现15块碎饼干的概率,她认为很简单,说用二项式分布公式计算就好了,X~B(n=100,p=0.1)。可是她拿出计算器计算100!时,计算器显示出错,因为数字太大!

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要解决上面提到的问题,就会用到泊松分布,因为有时候,使用泊松分布比使用二项式分布更简单,但需要满足一个前提。

假如我们要计算一个二项式分布概率,n为3000,用二项式分布的公式需要计算3000!,这个数字太大,很难计算出来。此时我们要用泊松分布来求解近似答案。

我们来看一下泊松分布和二项式分布的期望方差对比

泊松分布 E(X) =λVar(X) = λ

二项式分布: E(X) = npVar(X) =npq

我们要找出泊松分布与二项式分布的期望和方差近似相等的情况,因为泊松分布的期望和方差相等,所以np 要近似 npq

当q近似等于1且n很大时,np和npq近似相等。因此:

当n很大p很小时,可以用泊松分布X~Po(np)近似代替二项式分布X~B(n,p)

标准当n>50且p<0.1时,为典型近似情况。

例题:一个学生要参加一场考试,但他没有做任何复习。他需要猜测每一题的答案,每一题的答答对概率是0.05。考卷上共有50个问题,他答对5题的概率是多少?用二项式分布的泊松分布近似法求解。

λ =np =50 x 0.05 =2.5

P(X =5) = e^-2.5 x 2.5^5 / 5!

= e^-2.5 x 97.65625 / 120 =0.067

总结

泊松分布的概率、期望、方差计算

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泊松分布随机变量的组合

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泊松分布与二项式分布的关系

如果X~B(n,p),当n较大而p较小时,X可以近似表示为:

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本文归纳总结参考《深入浅出统计学》