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第 5 章:Poisson、Normal、Geometric、Negative Binomial、Gamma ​

这一章整理最常用的离散与连续分布。学习重点是理解它们之间的生成关系:二项极限得到 Poisson,Poisson 过程等待时间得到 Exponential/Gamma,独立正态线性组合仍是正态。


0. 本章总览 ​

离散分布:
Bernoulli -> Binomial -> Poisson 极限
                         |
                         -> 事件计数模型

Geometric -> Negative Binomial
首次成功等待   第 r 次成功等待

连续分布:
Poisson 过程等待时间 -> Exponential -> Gamma
Binomial/样本和极限   -> Normal

1. Poisson 分布 ​

1.1 Poisson 极限定理 ​

若

Xn∼Binomial(n,pn),n→∞, pn→0, npn→λ

则

P(Xn=k)→e−λλkk!

这解释了 Poisson 分布为什么适合“次数多、单次概率小”的稀有事件计数。

1.2 定义 ​

若

P(X=k)=e−λλkk!,k=0,1,2,…

则

X∼Poisson(λ)

其中

E(X)=λ,Var(X)=λ

1.3 典型使用场景 ​

  • 单位时间内电话呼入数;
  • 某区域内缺陷点个数;
  • 单位面积内污染粒子数;
  • 稀有疾病发生数;
  • 火山喷发、事故、故障等事件计数。

Poisson 模型常隐含:

  1. 事件以稳定平均速率发生;
  2. 不相交区间内事件数独立;
  3. 极短区间内发生两个及以上事件概率可忽略。

2. Exponential 分布:Poisson 事件的等待时间 ​

若 Poisson 事件以速率 λ 发生,令 Y 为相邻两次事件之间的等待时间,则

Y∼Exponential(λ)

密度为:

fY(y)=λe−λy,y>0

分布函数:

FY(y)=1−e−λy

均值与方差:

E(Y)=1λ,Var(Y)=1λ2

核心性质:无记忆性。

P(Y>s+t∣Y>s)=P(Y>t)

3. Normal 分布 ​

3.1 定义 ​

若

fY(y)=12πσexp⁡[−12(y−μσ)2]

则

Y∼N(μ,σ2)

其中 μ 控制位置,σ 控制尺度。

标准化:

Z=Y−μσ∼N(0,1)

3.2 正态分布的重要性 ​

正态分布重要有两层原因:

  1. 很多实际测量误差可近似为正态;
  2. 中心极限定理告诉我们,大量独立小随机误差之和近似正态。

3.3 二项分布的正态极限 ​

若 X∼Binomial(n,p),当 n 大时:

X−npnp(1−p)≈N(0,1)

3.4 独立正态的线性组合 ​

若 Y1,Y2 独立,且

Yi∼N(μi,σi2)

则

Y1+Y2∼N(μ1+μ2,σ12+σ22)

更一般地:

∑iaiYi∼N(∑iaiμi, ∑iai2σi2)

4. 中心极限定理(CLT) ​

若 W1,…,Wn i.i.d.,且

E(Wi)=μ,Var(Wi)=σ2<∞

则

W¯−μσ/n→dN(0,1)

等价地:

W¯≈N(μ,σ2n)

这是后续置信区间、假设检验和渐近推断的基础。


5. Geometric 分布 ​

5.1 定义 ​

重复独立 Bernoulli 试验,成功概率为 p。令 X 为第一次成功出现所需试验次数,则

P(X=k)=(1−p)k−1p,k=1,2,…

记作:

X∼Geometric(p)

均值与方差:

E(X)=1p,Var(X)=1−pp2

5.2 直觉 ​

几何分布是“等待首次成功”。
失败越容易,即 p 越小,等待时间平均越长。


6. Negative Binomial 分布 ​

6.1 定义 ​

重复 Bernoulli 试验,成功概率为 p。令 X 为第 r 次成功出现时的试验次数,则

P(X=k)=(k−1r−1)pr(1−p)k−r,k=r,r+1,…

记作负二项分布。

6.2 与几何分布的关系 ​

几何分布是负二项分布在 r=1 时的特例。

Geometric: 等第 1 次成功
Negative Binomial: 等第 r 次成功

7. Gamma 分布 ​

7.1 Gamma 函数 ​

Γ(r)=∫0∞yr−1e−ydy

递推关系:

Γ(r)=(r−1)Γ(r−1)

若 r 为正整数:

Γ(r)=(r−1)!

7.2 Gamma 分布定义 ​

若

fY(y)=λrΓ(r)yr−1e−λy,y>0

则

Y∼Γ(r,λ)

其中这里采用 rate 参数 λ。

均值与方差:

E(Y)=rλ,Var(Y)=rλ2

7.3 与 Poisson 过程的关系 ​

若 Poisson 事件速率为 λ,等待第 r 个事件发生的时间服从:

Γ(r,λ)

当 r=1 时就是指数分布:

Γ(1,λ)=Exponential(λ)

7.4 Gamma 和的性质 ​

若

U∼Γ(r,λ),V∼Γ(s,λ)

且独立,则

U+V∼Γ(r+s,λ)

8. 分布关系图 ​

图表渲染中…


9. 易错点与考点 ​

误区正确认识
Poisson 的均值和方差不同Poisson 中 E(X)=Var(X)=λ
指数分布参数 λ 是均值λ 是 rate,均值是 1/λ
Gamma 参数一定是 scale本章使用 rate 参数 λ
几何分布从 0 开始本章定义为第几次成功,取值 1,2,…
负二项分布只数失败次数不同教材定义不同,本章可理解为第 r 次成功所需试验次数
正态近似二项不需要条件通常要求 np 和 n(1−p) 都不太小

10. 关键公式速查表 ​

分布pmf/pdf均值方差
Poisson(λ)e−λλk/k!λλ
Exponential(λ)λe−λy1/λ1/λ2
Normal(μ,σ2)12πσe−(y−μ)2/(2σ2)μσ2
Geometric(p)(1−p)k−1p1/p(1−p)/p2
Negative Binomial(r,p)(k−1r−1)pr(1−p)k−rr/pr(1−p)/p2
Gamma(r,λ)λryr−1e−λy/Γ(r)r/λr/λ2

11. 学习建议 ​

  1. 先背“场景”,再背公式:计数、等待、测量误差分别对应不同分布。
  2. Poisson、Exponential、Gamma 要一起学,因为它们来自同一个 Poisson 过程。
  3. Normal 的重点不是密度公式,而是标准化和线性组合。
  4. 看到“第一次成功”“第 r 次成功”,立刻联想到 Geometric/Negative Binomial。
  5. 做题时先确认参数化,尤其 Gamma 的 rate/scale 不要混。

12. 专题深化:Poisson 分布与稀有事件 ​

Poisson 分布在本章中通常不是孤立出现的。它连接了二项极限、单位时间事件数、Poisson 过程和指数等待时间。

12.1 从 Binomial 到 Poisson ​

若

Xn∼Bin(n,pn),npn→λ,

则对固定的 k,

P(Xn=k)=(nk)pnk(1−pn)n−k.

令 pn=λ/n,则

(nk)(λn)k=n(n−1)⋯(n−k+1)k!λknk→λkk!,

且

(1−λn)n→e−λ,(1−λn)−k→1.

所以

P(Xn=k)→e−λλkk!.

直觉是:试验次数很多、单次成功概率很小、总体平均次数稳定时,计数近似 Poisson。

12.2 Poisson 模型的适用场景 ​

Poisson 适合描述某个固定区域或时间窗口内的事件次数,例如:

场景随机变量
一小时内客服电话数计数
一页书中的印刷错误数计数
一段 DNA 上突变数计数
某路口一天事故数计数

使用 Poisson 模型时,隐含假设通常包括:

  1. 事件在不相交区间内近似独立;
  2. 单位区间内平均发生率稳定;
  3. 在极小区间内发生两个及以上事件的概率可以忽略。

12.3 Poisson 的加法性 ​

若

Xi∼Poisson(λi)

相互独立,则

∑i=1mXi∼Poisson(∑i=1mλi).

可以用 MGF 证明,也可以用“独立来源的事件流合并”理解。

这条性质在建模中很常见:多个部门的呼叫量、多个区域的事故数、多个时间段的到达数相加后仍是 Poisson。

12.4 条件 Poisson 变成 Binomial/Multinomial ​

如果 X∼Poisson(λ1),Y∼Poisson(λ2) 独立,给定 X+Y=n,则

X∣X+Y=n∼Bin(n,λ1λ1+λ2).

解释:总事件数已经固定为 n,每个事件来自第一类来源的概率为

λ1λ1+λ2.

多类别时会推广为 multinomial。


13. 专题深化:Poisson 过程、Exponential 与 Gamma ​

13.1 Poisson 过程的两个随机量 ​

Poisson 过程可以从两个角度看:

  1. N(t):时间 t 内发生的事件数;
  2. Tk:等到第 k 个事件所需的时间。

若过程速率为 λ,则

N(t)∼Poisson(λt).

第一个事件等待时间 T1 满足

P(T1>t)=P(N(t)=0)=e−λt.

因此

FT1(t)=1−e−λt,fT1(t)=λe−λt.

即

T1∼Exponential(λ).

13.2 指数分布的无记忆性 ​

指数分布有

P(T>s+t∣T>s)=P(T>t).

证明:

P(T>s+t∣T>s)=P(T>s+t)P(T>s)=e−λ(s+t)e−λs=e−λt.

含义是:已经等了多久,不会改变还要继续等待的分布。这是连续型等待时间中非常特殊的性质。

13.3 Gamma 分布作为第 r 次到达时间 ​

第 r 次事件到达时间

Tr=X1+⋯+Xr,

其中 Xi 是独立的 Exponential(λ) 间隔时间。因此

Tr∼Gamma(r,λ)

在本章的 rate 参数化下,密度为

f(t)=λrΓ(r)tr−1e−λt,t>0.

当 r 是正整数时,

Γ(r)=(r−1)!.

均值和方差为

E(Tr)=rλ,Var(Tr)=rλ2.

13.4 Gamma 与卡方分布 ​

卡方分布是 Gamma 的特殊情形:

χν2∼Gamma(ν2,12)

若使用 rate 参数化,则也可写作

χν2∼Gamma(ν2,λ=12).

后续第 10 章会用它描述正态样本方差:

(n−1)S2σ2∼χn−12.

14. 专题深化:Normal 分布与近似 ​

14.1 标准化 ​

如果

Y∼N(μ,σ2),

则

Z=Y−μσ∼N(0,1).

标准化的作用是把不同均值、不同尺度的正态变量统一转成标准正态,从而查表或使用分位数。

常见概率计算:

P(a<Y<b)=P(a−μσ<Z<b−μσ).

14.2 正态线性组合 ​

若 Y1,…,Yn 独立且

Yi∼N(μi,σi2),

则任意线性组合仍为正态:

∑i=1naiYi∼N(∑aiμi,∑ai2σi2).

特别地,若 Yi∼N(μ,σ2) iid,则

Y¯∼N(μ,σ2n).

这为第 9、10 章的 z 检验和 t 检验提供基础。

14.3 二项分布的正态近似 ​

当 X∼Bin(n,p),且 np 与 n(1−p) 都足够大时,

X−npnp(1−p)≈N(0,1).

如果要求 P(a≤X≤b),可以使用连续性修正:

P(a≤X≤b)≈P(a−0.5<Y<b+0.5),

其中

Y∼N(np,np(1−p)).

连续性修正的直觉是:离散整数点 a,…,b 对应连续轴上的区间 [a−0.5,b+0.5]。

14.4 Poisson 的正态近似 ​

当 λ 较大时,

Poisson(λ)≈N(λ,λ).

标准化为

X−λλ≈N(0,1).

同样可使用连续性修正。


15. 专题深化:Geometric 与 Negative Binomial ​

15.1 Geometric:第一次成功所需试验次数 ​

本章采用的定义是

P(Y=k)=(1−p)k−1p,k=1,2,…

即第 k 次试验第一次成功。

因此

E(Y)=1p,Var(Y)=1−pp2.

它的离散无记忆性为

P(Y>s+t∣Y>s)=P(Y>t).

15.2 Negative Binomial:第 r 次成功所需试验次数 ​

若 Y 表示第 r 次成功发生在第 k 次试验,则

P(Y=k)=(k−1r−1)pr(1−p)k−r,k=r,r+1,…

解释:

  1. 第 k 次必须成功;
  2. 前 k−1 次中恰好有 r−1 次成功;
  3. 所以组合数是 (k−1r−1)。

均值与方差:

E(Y)=rp,Var(Y)=r(1−p)p2.

当 r=1 时,负二项分布退化为几何分布。

15.3 离散等待时间与连续等待时间的对应 ​

过程第一次等待第 r 次等待
Bernoulli 试验序列GeometricNegative Binomial
Poisson 过程ExponentialGamma

16. 本章复习清单 ​

核心内容复习时要能做到
Poisson 极限定理能从 Binomial 推到 Poisson
Poisson 建模能说明稀有、独立、稳定率假设
Poisson 加法性会用 MGF 或事件流解释
条件 Poisson能推出给定总数后的 Binomial
Poisson 过程理解 N(t) 与等待时间的双视角
Exponential会推导密度和无记忆性
Gamma知道是多个指数等待时间之和
Normal 标准化能把任意正态概率转成 Z
正态线性组合会写均值和方差
二项正态近似会判断条件并使用连续性修正
几何分布会解释第几次首次成功
负二项分布会解释组合数 (k−1r−1)

17. 综合深化:正态近似的使用与诊断 ​

17.1 航空超售与连续性校正 ​

航空公司售出 178 张票,只有 168 个座位,每位乘客独立地以概率 0.9 登机。登机人数

X∼Bin(178,0.9),

其均值和标准差为

E(X)=160.2,Var(X)=178(0.9)(0.1)≈4.00.

座位足够的概率是 P(X≤168)。用正态近似时作连续性校正:

P(X≤168)≈Φ(168.5−160.24.00)≈0.981.

不作 0.5 校正相当于用连续面积错误地近似离散柱形,尾部误差往往更明显。

17.2 分位数反解:顶尖百分位 ​

若智商近似 N(100,152),进入最高 2% 需要满足

P(X>c)=0.02.

因此

c=100+15z0.98≈100+15(2.054)≈130.8.

这类题的关键是先把“前 2%”翻译为右尾概率,再确认应查 0.98 分位数而不是 0.02。

17.3 小尾概率是证据,不是结论本身 ​

已知某指标在基准人群中服从 N(μ,σ2),观测到 x 后计算

PH0(X≥x)

可衡量该观测在基准模型下有多极端。但应注意:

  • 这是在 H0 成立下的数据尾概率,不是 H0 为真的概率;
  • 若从许多人中挑出最极端的一人,必须考虑选择和多重性;
  • 正态模型、均值和方差若由数据估计,零分布也会改变;
  • 统计极端不自动提供因果或身份判断。

例如单个犯罪指数很极端,可能反对“来自普通人群”的模型;但若嫌疑人从一个很大的群体中筛选而来,至少一人极端的概率会远高于单人尾概率。

17.4 二项分布的两种近似方向 ​

  • n 大、p 不太靠近 0 或 1:用正态近似,关注中心区域与连续性校正;
  • n 大、p 很小且 np=λ 适中:用 Poisson(λ) 近似,关注稀有计数。

同一个二项模型选择哪种近似,取决于参数区域,而不是只看样本量。