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常用离散分布

0-1 分布(伯努利分布)​

单次试验,成功概率 pp:

P(X=1)=p,P(X=0)=1−pP(X = 1) = p, \quad P(X = 0) = 1 - p

  • 期望:E(X)=pE(X) = p
  • 方差:Var⁡(X)=p(1−p)\operatorname{Var}(X) = p(1-p)
  • 记作:X∼B(1,p)X \sim B(1, p)

二项分布​

nn 重独立伯努利试验中成功的总次数:

P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k,k=0,1,…,nP(X = k) = \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k}, \quad k = 0, 1, \ldots, n

  • 期望:E(X)=npE(X) = np
  • 方差:Var⁡(X)=np(1−p)\operatorname{Var}(X) = np(1-p)
  • 记作:X∼B(n,p)X \sim B(n, p)
  • 可加性:X∼B(n1,p)X \sim B(n_1, p),Y∼B(n2,p)Y \sim B(n_2, p) 独立 ⇒\Rightarrow X+Y∼B(n1+n2,p)X + Y \sim B(n_1 + n_2, p)

二项分布的最可能值​

k0=⌊(n+1)p⌋k_0 = \lfloor (n+1)p \rfloor(当 (n+1)p(n+1)p 为整数时,k0k_0 和 k0−1k_0 - 1 均为最可能值)。

泊松分布​

描述稀有事件在固定时间/空间内发生的次数:

P(X=k)=λkk!e−λ,k=0,1,2,…P(X = k) = \frac{\lambda^k}{k!} e^{-\lambda}, \quad k = 0, 1, 2, \ldots

  • 期望:E(X)=λE(X) = \lambda
  • 方差:Var⁡(X)=λ\operatorname{Var}(X) = \lambda
  • 记作:X∼P(λ)X \sim P(\lambda)
  • 可加性:X∼P(λ1)X \sim P(\lambda_1),Y∼P(λ2)Y \sim P(\lambda_2) 独立 ⇒\Rightarrow X+Y∼P(λ1+λ2)X + Y \sim P(\lambda_1 + \lambda_2)

泊松定理(二项分布的泊松近似)​

当 nn 很大、pp 很小时,B(n,p)≈P(np)B(n, p) \approx P(np):

(nk)pk(1−p)n−k≈(np)kk!e−np\binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k} \approx \frac{(np)^k}{k!} e^{-np}

一般 n≥20n \geq 20,p≤0.05p \leq 0.05(或 n≥100n \geq 100,np≤10np \leq 10)时近似效果较好。

几何分布​

独立伯努利试验中首次成功所需的试验次数:

P(X=k)=(1−p)k−1p,k=1,2,…P(X = k) = (1-p)^{k-1} p, \quad k = 1, 2, \ldots

  • 期望:E(X)=1pE(X) = \dfrac{1}{p}
  • 方差:Var⁡(X)=1−pp2\operatorname{Var}(X) = \dfrac{1-p}{p^2}
  • 无记忆性:P(X>m+n∣X>m)=P(X>n)P(X > m+n \mid X > m) = P(X > n)

超几何分布​

NN 件产品中有 MM 件次品,不放回抽取 nn 件,次品数 XX:

P(X=k)=(Mk)(N−Mn−k)(Nn),max⁡(0,n−(N−M))≤k≤min⁡(n,M)P(X = k) = \frac{\binom{M}{k}\binom{N-M}{n-k}}{\binom{N}{n}}, \quad \max(0, n-(N-M)) \leq k \leq \min(n, M)

  • 期望:E(X)=n⋅MNE(X) = n \cdot \dfrac{M}{N}
  • 方差:Var⁡(X)=n⋅MN⋅N−MN⋅N−nN−1\operatorname{Var}(X) = n \cdot \dfrac{M}{N} \cdot \dfrac{N-M}{N} \cdot \dfrac{N-n}{N-1}
  • 当 n≪Nn \ll N 时,可用二项分布近似

负二项分布(帕斯卡分布)​

第 rr 次成功所需的试验次数:

P(X=k)=(k−1r−1)pr(1−p)k−r,k=r,r+1,…P(X = k) = \binom{k-1}{r-1} p^r (1-p)^{k-r}, \quad k = r, r+1, \ldots

  • r=1r = 1 时退化为几何分布

常用离散分布对比​

分布记号期望方差应用场景
0-1B(1,p)B(1, p)ppp(1−p)p(1-p)单次成功/失败
二项B(n,p)B(n, p)npnpnp(1−p)np(1-p)nn 次试验成功次数
泊松P(λ)P(\lambda)λ\lambdaλ\lambda稀有事件计数
几何Geom(p)\text{Geom}(p)1/p1/p(1−p)/p2(1-p)/p^2首次成功等待时间
超几何H(N,M,n)H(N, M, n)nM/NnM/N—不放回抽样