Poisson Process 與 Poisson Distribution

Poisson Process

描述在時間或空間區間內隨機發生的事件數量,例如電話到達、事故、缺陷數等。

主要假設:

  • 在很短的區間 hh 內,發生一次事件的機率約為 λh\lambda h (與長度成正比)。
  • 當 hh 很小時,同一區間發生兩次以上事件的機率可忽略。
  • 互不重疊區間的事件發生次數彼此獨立。
  • 在所考慮的範圍內,平均發生率 λ\lambda 大致固定 (Homogeneous,均勻性)。

Poisson Random Variable

  • X∼Poisson⁡(μ),μ=λtX\sim\operatorname{Poisson}(\mu),\quad \mu=\lambda t
    • λ\lambda: 每單位時間/空間的平均發生次數。
    • tt:觀察長度;μ=λt\mu=\lambda t: 整段觀察範圍的平均事件數。
    • XX: 該範圍內實際發生次數,因此只能是非負整數。

PMF: P(X=x)=e−μμxx!{P(X=x)=\frac{e^{-\mu}\mu^x}{x!}}, x=0,1,2,…x=0,1,2,\ldots

期望值與變異數: E(X)=Var⁡(X)=μ=λt{E(X)=\operatorname{Var}(X)=\mu=\lambda t}

CDF: F(a)=P(X≤a)=∑x=0ae−μμxx!F(a)=P(X\le a)=\sum_{x=0}^{a}\frac{e^{-\mu}\mu^x}{x!}, aa 為非負整數

觀察區間變成 ctct,在同樣發生率下,參數 μ\mu 也變成 cλtc\lambda t。

Poisson Approximation to Binomial

用途: 二項分配的 nn 很大且 pp 很小 (罕見事件) 時,可以用 Poisson 近似,減少複雜的組合數計算。

若 X∼Binomial⁡(n,p)X\sim\operatorname{Binomial}(n,p)

則取相同平均數 μ=np\mu=np,以 Y∼Poisson⁡(np){Y\sim\operatorname{Poisson}(np)}

近似: P(X=x)=(nx)px(1−p)n−x≈e−np(np)xx!{P(X=x)=\binom nx p^x(1-p)^{n-x}\approx \frac{e^{-np}(np)^x}{x!}}

適用時機:

  • 原則:nn 大、pp 小。
  • 講義提供的經驗判準:
    • n≥20n\ge20 且 p≤0.05p\le0.05: Good approximation。
    • n≥100n\ge100 且 np≤10np\le10: Very good approximation。

其他離散分配

不考

Geometric Distribution

  • 情境: 持續進行獨立 Bernoulli 試驗,直到第一次成功。
  • XX 定義為 第一次成功之前,總共做了幾次試驗;x=1,2,…x=1,2,\ldots。
    • P(X=x)=(1−p)x−1pP(X=x)=(1-p)^{x-1}p
    • E(X)=1pE(X)=\frac1p
    • Var⁡(X)=1−pp2\operatorname{Var}(X)=\frac{1-p}{p^2}

R 的 dgeom() 使用 第一次成功前的失敗次數,因此若 XX 是試驗總次數,要輸入 x-1。

Multinomial Distribution

  • 情境:每次試驗有 KK 種可能結果 (K=2K=2 時退化為 Binomial)。
  • nn 次試驗中,第 kk 類出現 xkx_k 次、機率為 pkp_k,滿足 ∑xk=n\sum x_k=n、∑pk=1\sum p_k=1。
    • P(X1=x1,…,XK=xK)=n!x1!⋯xK!∏k=1KpkxkP(X_1=x_1,\ldots,X_K=x_K)=\frac{n!}{x_1!\cdots x_K!}\prod_{k=1}^{K}p_k^{x_k}

Hypergeometric Distribution

  • 情境:從有限母體中不放回抽樣。

  • 母體有 AA 個目標、BB 個非目標,共抽取 nn 個,XX 為抽到目標的數量。

    • P(X=x)=(Ax)(Bn−x)(A+Bn)P(X=x)=\frac{\binom Ax\binom B{n-x}}{\binom{A+B}n}
  • 不放回使各次抽取的成功率可能改變,因此不同於獨立 Bernoulli 試驗。

  • 若母體大小 N=A+B≫nN=A+B\gg n,可近似為 Binomial⁡(n,A/N)\operatorname{Binomial}(n,A/N)。

統整

分配 如何判斷? 計數對象
Bernoulli 單次試驗、成功/失敗 是否成功 (0 或 1)
Binomial 固定 nn 次、獨立、相同 pp 成功總次數
Poisson 固定時間/空間內的隨機事件,符合 Poisson 假設 事件發生次數
Geometric 一直試到第一次成功 所需試驗次數
Multinomial 固定 nn 次,每次有 KK 種結果 各類別次數
Hypergeometric 有限母體中不放回抽樣 抽中的目標數