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泊松分布和指数分布

泊松分布

日常生活中,大量事件是有固定频率的。

某医院平均每小时出生3个婴儿
某公司平均每10分钟接到1个电话
某超市平均每天销售4包xx牌奶粉
某网站平均每分钟有2次访问

它们的特点就是,我们可以预估这些事件的总数,但是没法知道具体的发生时间。已知平均每小时出生3个婴儿,请问下一个小时,会出生几个?

有可能一下子出生6个,也有可能一个都不出生。这是我们没法知道的。

泊松分布就是描述某段时间内,事件具体的发生概率。

\[P(N(t)=n)=\frac{(\lambda t)^n e^{-\lambda t}}{n!}\]

上面就是泊松分布的公式。等号的左边,\(P\) 表示概率,\(N\) 表示某种函数关系,\(t\) 表示时间,\(n\) 表示数量,1小时内出生3个婴儿的概率,就表示为 \(P(N(1) = 3)\) 。等号的右边,参数λ是单位时间(或单位面积)内随机事件的平均发生率。

接下来两个小时,一个婴儿都不出生的概率是0.25%,基本不可能发生。

\[P(N(2) = 0) = \frac{(3 \times 2)^0 e^{-3 \times 2}}{0!} \approx 0.0025\]

接下来一个小时,至少出生两个婴儿的概率是80%。

\[\begin{aligned} P(N(1) \ge 2) &= 1 - P(N(1) = 1) - P(N(1) = 0) \\ &= 1 - \frac{(3 \times 1)^1 e^{-3 \times 1}}{1!} - \frac{(3 \times 1)^0 e^{-3 \times 1}}{0!}\\ &= 1 - 3e^{-3} - e^{-3} \\ &= 1 - 4e^{-3}\\ &\approx 0.8009 \end{aligned}\]

泊松分布的图形大概是下面的样子。

image

可以看到,在频率附近,事件的发生概率最高,然后向两边对称下降,即变得越大和越小都不太可能。每小时出生3个婴儿,这是最可能的结果,出生得越多或越少,就越不可能。

指数分布

指数分布是事件的时间间隔的概率。下面这些都属于指数分布。

婴儿出生的时间间隔
来电的时间间隔
奶粉销售的时间间隔
网站访问的时间间隔

指数分布的公式可以从泊松分布推断出来。如果下一个婴儿要间隔时间 t ,就等同于 t 之内没有任何婴儿出生。

\[P(X > t) = P(N(t) = 0) = \frac{(\lambda t)^0 e^{-\lambda t}}{0!} = e^{-\lambda t}\]

反过来,事件在时间 t 之内发生的概率,就是1减去上面的值。

\[P(X \le t) = 1 - P(X > t) = 1 - e^{-\lambda t}\]

接下来15分钟,会有婴儿出生的概率是52.76%。

\[P(X \le 0.25) = 1 - e^{-3 \times 0.25} \approx 0.5276\]

接下来的15分钟到30分钟,会有婴儿出生的概率是24.92%。

\[\begin{aligned}P(0.25 \le X \le 0.5) &= P(X \le 0.5) - P(X \le 0.25)\\ &= (1 - e^{-3 \times 0.5}) - (1 - e^{-3 \times 0.25})\\ &= e^{-0.75} - e^{-1.5}\\ &\approx 0.2492\end{aligned}\]

指数分布的图形大概是下面的样子。

image

可以看到,随着间隔时间变长,事件的发生概率急剧下降,呈指数式衰减。想一想,如果每小时平均出生3个婴儿,上面已经算过了,下一个婴儿间隔2小时才出生的概率是0.25%,那么间隔3小时、间隔4小时的概率,是不是更接近于0?

总结

一句话总结:泊松分布是单位时间内独立事件发生次数的概率分布,指数分布是独立事件的时间间隔的概率分布

请注意是”独立事件”,泊松分布和指数分布的前提是,事件之间不能有关联,否则就不能运用上面的公式。