离散分布速查:伯努利到泊松

02-随机变量与分布 核心 约 25 分钟 #伯努利#二项#几何#泊松#离散分布 更新 2026-10-02
当前状态:未学
本文基于模型知识整理(生成时未联网核对),公式与性质建议对照 Blitzstein & Hwang 第 3–4 章复核。

一句话定义

离散分布家族按"计数什么"分层:伯努利(一次成败)→ 二项(n 次独立成败的总成功数)→ 几何(首次成功前的等待)→ 泊松(单位时间的稀有事件数,二项的 λ 极限)——四个"计数模型"覆盖了绝大多数离散建模需求,识别场景比背公式重要。

为什么重要

它们是离散建模的"默认模板库":AB 实验的转化数(二项)、客服电话到达数(泊松)、首次故障时间(几何)、任何 yes/no 特征(伯努利)。识别"这是 n 次独立伯努利的成功数"这类结构,比推导公式更核心——分布选型能力是概率建模的第一技能。

前置知识

kp-005(组合与独立性)、kp-006/007(分布与期望)。

核心概念(速查表)

分布场景PMFEVar
伯努利 Ber(p)单次成败$p^k(1-p)^{1-k}$, k∈{0,1}pp(1−p)
二项 Bin(n,p)n 独立伯努利的成功数$\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}$npnp(1−p)
几何 Geo(p)首次成功前的失败次数$(1-p)^{k}p$, k=0,1,…$\frac{1-p}{p}$$\frac{1-p}{p^2}$
泊松 Pois(λ)单位时间稀有事件数$\frac{e^{-\lambda}\lambda^k}{k!}$λλ
  • 泊松是二项的极限:n→∞、p→0、np=λ(稀有+大量试验)——"每千人中中奖"这类小概率大样本问题归泊松;λ 的可加性(独立泊松相加仍泊松,λ 相加)。
  • 泊松的"事件独立+速率恒定"假设:乘客到达、网页点击、 radioactive 衰减计数——假设破坏(高峰时段)时要换非齐次泊松。
  • 几何的无记忆性:P(再等 k|已等 m)=P(等 k)——"等了半天白等了"的数学化;连续对应物是指数分布(kp-009)。
  • 超几何(不放回抽样,本章附带):$\frac{\binom{K}{k}\binom{N-K}{n-k}}{\binom{N}{n}}$——抽牌/质检不放回场景;大 N 时趋近二项。

原理与机制

二项公式的三件套来源:成功 k 次的概率 $p^k(1-p)^{n-k}$(独立连乘)× 位置选择 $\binom nk$(kp-005 组合)——"概率×计数"的模范结构。期望 np 的最优雅证明:指示变量法 $X=\sum X_i$,线性性免独立性(kp-007)。

泊松极限为什么重要:真实世界的"大量尝试×小概率"(一年内每班机坠毁)用二项参数难写、用 λ 一目了然;同时 λ 可加性使"多源到达"建模可加(两路电话合并为一个泊松 λ₁+λ₂)——模型组合性是工程选型的隐藏福利。

几何/指数的无记忆性为什么是"特征"而非"缺陷":它把"过去等待"从模型中剔除,大幅简化排队/可靠性计算;反过来,若现实有老化(机器越旧越易坏),无记忆性失效——换 Weibull 等风险率分布。无记忆性是选型诊断器。

图示

伯努利(一次) → 二项(n次计数) → 泊松(n大p小, λ=np)
              ↘ 几何(首次等待) ⇄ 指数(连续版, kp-009)
二项: P(X=k)=C(n,k)pᵏ(1−p)^{n−k} ; E=np ; Var=np(1−p)
泊松: P(X=k)=e^{−λ}λᵏ/k! ; E=Var=λ   (均值=方差 是泊松指纹)
超几何: 不放回 → 大N退化为二项

直观类比

二项是"射十箭记中靶数";几何是"连打直到第一次命中,数空放次数";泊松是"统计一小时内电话铃响次数"——三个故事对应三个分布,场景对上模型就对上。

实例或案例

  • AB 检验:A 组 1000 人 52 转化——二项模型+正态近似(kp-015 CLT)做显著性。
  • 网站请求建模:每分钟请求 Pois(λ=50),容量规划按 P(X>容量) 定机器数。
  • 病理筛查:n=10000 独立检测、单阳性率 0.1% → 泊松 λ=10,"≥5 阳性"概率用泊松尾计算。

常见误区

  • 误区一:"n 次抽样都套二项"。二项要独立+同概率;不放回抽样是超几何(大总体近似才退化为二项)。
  • 误区二:"泊松的 Var=E 是巧合可通用"。均值>方差(过散布)时泊松不合适(换负二项);先做均值方差诊断。
  • 误区三:"几何分布从 1 计数还是从 0 计数混用"。两种教材约定(首次成功=第 k 次 vs 前k次全败)期望差 1——对表时先对约定。

与其他知识点的关系

  • kp-005:组合计数是二项的骨架。
  • kp-009:指数/正态是连续侧的对应与极限。
  • kp-014/015:大数定律与 CLT 的样本对象(二项均值→正态)。

自测题

  1. 独立投篮 10 次、命中率 0.7:恰中 8 次的概率与期望命中数。

答:$\binom{10}{8}0.7^8 0.3^2≈0.233$;E=7。

  1. 客服中心每分钟 Pois(4):两分钟内来 5 通的概率?

答:λ=8;$\frac{e^{-8}8^5}{5!}≈0.0916$(λ 可加)。

  1. 为什么"稀有事件的计次"天然导向泊松?

答:二项的 n→∞、p→0、np=λ 极限正是泊松——大量×稀少=泊松场景签名。

延伸阅读

  • Blitzstein & Hwang 第 3–4 章(分布故事线)。
  • Wasserman《All of Statistics》第 2 章。
  • 《统计分布速查手册》(Evans 等的 Distribution compendium)。