泊松分佈知識總結及例子

泊松分佈知識總結及例子

泊松分佈經常出現在IT類技術面試中,雖然工作中我還沒遇到需要用泊松分佈解決的問題,但我想深入理解泊松分佈對於服務器處理訪問請求,以及對各種小概率事件的估計預測都有重要作用,所以花時間整理了下資料,以備忘及分享討論。

泊松分佈

Poisson分佈(法語:loi de Poisson,英語:Poisson distribution),譯名有泊松分佈普阿鬆分佈卜瓦松分佈布瓦松分佈布阿鬆分佈波以鬆分佈卜氏分配等,又稱泊松小數法則(Poisson law of small numbers),是一種統計與概率學裏常見到的離散概率分佈,由法國數學家西莫恩·德尼·泊松(Siméon-Denis Poisson)在1838年時發表。

泊松分佈適合於描述單位時間內隨機事件發生的次數的概率分佈。如某一服務設施在一定時間內受到的服務請求的次數,電話交換機接到呼叫的次數、汽車站臺的候客人數、機器出現的故障數、自然災害發生的次數、DNA序列的變異數、放射性原子核的衰變數,宇宙中單位體積內星球的個數 ,耕地上單位面積內雜草的數目等 。

泊松分佈的概率質量函數爲:

泊松分佈的參數λ是單位時間(或單位面積)內隨機事件的平均發生率。

泊松分佈的由來

二項分佈伯努利試驗中,如果試驗次數n很大,二項分佈的概率p很小,且乘積λ= n p比較適中,則事件出現的次數的概率可以用泊松分佈來逼近。事實上,二項分佈可以看作泊松分佈在離散時間上的對應物。

證明如下。首先,回顧e的定義:

二項分佈的定義:

如果令趨於無窮時的極限:

所以,實驗結果滿足泊松分佈的實驗即爲泊松過程。泊松過程把離散的伯努利過程變得連續化了:原來是拋n次硬幣,現在變成了無窮多次拋硬幣;原來某次拋硬幣得到正面的概率是p,而現在p無限接近於0(p=lambda/n),即:非常難拋出正面朝上的硬幣;但是n次實驗中硬幣朝上的次數的期望不變,即lambda恆定。在泊松過程中,我們把拋出硬幣正面這樣的事件叫做到達(Arrival)。把單位時間內到達的數量,叫做到達率(Arrival Rate)。
故,泊松過程需要滿足以下三個性質:
1. 在任意單位時間長度內,到達率是穩定的。對應於無窮次拋硬幣的例子,我們相當於把一個單位時間分割成了無窮次拋硬幣的實驗,每次實驗產生正面的概率都是一樣的(爲lambda/n),而在這無窮個拋硬幣實驗之後(即一個單位時間之後)我們期望能拋出lambda個正面的硬幣。這個性質類比於在有限次拋硬幣(二次分佈)的例子中保證了每次擲出硬幣爲正面的概率都爲p。 
2. 未來的實驗結果與過去的實驗結果無關。對應於無窮次拋硬幣的例子,之前不管拋出了多少個正面和反面的硬幣,都不會影響之後硬幣出現的結果。
3. 在極小的一段時間內,有1次到達的概率非常小,沒有到達的概率非常大。對應於無窮次拋硬幣的例子,我們發現硬幣朝上的概率p=lambda/n趨向於0。

舉個例子

讓我們先通過一個例子,瞭解什麼是"泊松分佈"。

      

已知某家小雜貨店,平均每週售出2個水果罐頭。請問該店水果罐頭的最佳庫存量是多少?

假定不存在季節因素,可以近似認爲,這個問題滿足以下三個條件:

(1)顧客購買水果罐頭是小概率事件。

(2)購買水果罐頭的顧客是獨立的,不會互相影響。

(3)顧客購買水果罐頭的概率是穩定的。

在統計學上,只要某類事件滿足上面三個條件,它就服從"泊松分佈"。

泊松分佈的公式如下:

各個參數的含義:

  P:每週銷售k個罐頭的概率。

  X:水果罐頭的銷售變量。

  k:X的取值(0,1,2,3...)。

  λ:每週水果罐頭的平均銷售量,是一個常數,本題爲2。

根據公式,計算得到每週銷量的分佈:

從上表可見,如果存貨4個罐頭,95%的概率不會缺貨(平均每19周發生一次);如果存貨5個罐頭,98%的概率不會缺貨(平均59周發生一次)。

再舉個例子

假設到銀行辦業務的人是相互獨立的,每個小時m個人。現在問一小時3個人的概率多大?
我們可以把一個小時分成很多區間,比如60個區間,那麼每分鐘就是m/60個人,如果m/60大於一個人,那我們可以把區間分得更小,不能讓單位區間人數超過1人,這樣我們就可以把單位區間到達1人認爲成功,否則是失敗,於是用下面的式子來求概率。
P(x=3)=C(60,3)*(m/60)^3*(1-m/60)^(60-3),這個式子C(60,3)是3個人可以是60個區間的任意3個區間,後面分別是3個區間有人的概率和57個區間無人的概率。
更一般來講
P(x=k)=C(n,k)*(λ/n)^k*(1-λ/n)^(n-k)=λ^k/k! *exp(-λ)

最大似然估計

給定n個樣本值ki,希望得到從中推測出總體的泊松分佈參數λ的估計。爲計算最大似然估計值, 列出對數似然函數:

對函數L取相對於λ的導數並令其等於零:

解得λ從而得到一個駐點(stationary point):

檢查函數L的二階導數,發現對所有的λ 與ki大於零的情況二階導數都爲負。因此求得的駐點是對數似然函數L的極大值點:

最大似然估計舉個例子

對某公共汽車站的客流做調查,統計了某天上午10:30到11:47來到候車的乘客情況。假定來到候車的乘客各批(每批可以是1人也可以是多人)是互相獨立發生的。觀察每20秒區間來到候車的乘客批次,共觀察77分鐘*3=231次,共得到230個觀察記錄。其中來到0批、1批、2批、3批、4批及4批以上的觀察記錄分別是100個、81個、34個、9個、6個。使用極大似真估計(MLE),得到的估計爲200/231=0.8658。

泊松分佈的性質

參考:

【1】 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%8A%E6%9D%BE%E5%88%86%E4%BD%88  泊松分佈 wiki

【2】 http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/01/poisson_distribution.html  泊松分佈與美國槍擊案

【3】 http://maider.blog.sohu.com/304621504.html 如何理解泊松分佈和泊松過程

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