从二项分布推导泊松分布

小编 2026-06-19 阅读:1366 评论:0
参考:可汗学院 从二项分布推导泊松分布   二项分布:P(X=k)=Cnk⋅pk⋅(1−p)n−kP(X=k) = C_n^k\\cdot p^k\\cdot (1-p)^{n-k}P(X=k...

参考:可汗学院

从二项分布推导泊松分布

  二项分布:P(X=k)=Cnkpk(1p)nkP(X=k) = C_n^k\\cdot p^k\\cdot (1-p)^{n-k}P(X=k)=Cnkpk(1p)nk

抛硬币

  以抛硬币为例,ppp可以表示抛一次硬币,朝上的概率,P(X=k)P(X=k)P(X=k)表示抛nnn次硬币后,kkk个硬币朝上的概率。

车流量估计

  将抛硬币的场景转换为估计车流量的场景:在一个小时内,经过路口A的车辆数目为kkk的概率P(X=k)P(X=k)P(X=k)。车流量场景于抛硬币场景相比,加入了时间约束。如果我们现在继续用二项分布来解决该场景,需要对时间进行离散化

  • 假设一个小时平均车流量是λ\\lambdaλ
  • 将一个小时的观测近似为3600次一秒的观测,即n=3600n=3600n=3600
  • 则一秒钟,车辆通过的概率p=λ3600p=\\frac{\\lambda}{3600}p=3600λ (PS:此处不够严谨,稍后会介绍)

一小时内,经过路口A的车辆数目为k的概率:
P(X=k)=C3600k(λ3600)k(1λ3600)3600kP(X=k) = C_{3600}^k \\cdot (\\frac {\\lambda}{3600})^k \\cdot (1-\\frac {\\lambda}{3600})^{3600-k}P(X=k)=C3600k(3600λ)k(13600λ)3600k

  然而,p=λ3600p=\\frac{\\lambda}{3600}p=3600λ表示的是一辆汽车在一次观测(我们假设的是一秒)中通过路口A的概率。一秒中,可能会有多辆车经过,因此,时间间隔必须足够小以保证一个时间间隔内只有一辆车通过,即nn\\rightarrow \\inftyn
P(X=k)=limn Cnk(λn)k(1λn)nk=limnn(n1)...(nk+1)k!λknk(1λn)n(1λn)k={limnn(n1)...(nk+1)nk}{λkk!}{limn(1λn)n}{limn(1λn)k}=1λkk!eλ1=λkk!eλP(X=k) = \\lim_{n\\rightarrow \\infty}\\ C_{n}^k \\cdot (\\frac {\\lambda}{n})^k \\cdot (1-\\frac {\\lambda}{n})^{n-k} \\\\ =\\lim_{n\\rightarrow \\infty}\\frac {n\\cdot (n-1) \\cdot ... \\cdot(n-k+1)}{k!} \\cdot \\frac {\\lambda^k}{n^k} \\cdot (1-\\frac {\\lambda}{n})^n \\cdot (1-\\frac {\\lambda}{n})^{-k} \\\\ =\\left\\{ \\lim_{n\\rightarrow \\infty} \\frac {n\\cdot (n-1) \\cdot ... \\cdot(n-k+1)}{n^k}\\right\\} \\cdot \\left\\{ \\frac {\\lambda^k}{k!} \\right\\} \\cdot \\left\\{ \\lim_{n\\rightarrow \\infty} (1-\\frac {\\lambda}{n})^n \\right\\} \\cdot \\left\\{ \\lim_{n\\rightarrow \\infty}(1-\\frac {\\lambda}{n})^{-k} \\right\\} \\\\ = 1\\cdot \\frac {\\lambda^k}{k!} e^{\\lambda} \\cdot 1 = \\frac {\\lambda^k}{k!} e^{\\lambda}P(X=k)=nlim Cnk(nλ)k(1nλ)nk=nlimk!n(n1)...(nk+1)nkλk(1nλ)n(1nλ)k={nlimnkn(n1)...(nk+1)}{k!λk}{nlim(1nλ)n}{nlim(1nλ)k}=1k!λkeλ1=k!λkeλ

结论

  当二项分布的n很大,p很小时,可以近似为泊松分布。

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