一张图的故事——概率分布之间的关系(上)

http://www.rustle.us/?p=167

概率分布之间的关系是个有趣的话题。若要一张图简要概述概率分布之间的关系,下图是经典。本文将从上到下,从左到右解释这张图。本来要全部写完才发布的。不过考虑到明天就回家了,家里没有网肯定写不了,所以先发布一部分,剩余部分国庆之后补上。另外求该图的原始出处。

relationships among distributions

      1. M(n,π1,π2,..πn)J=2Bin(n,π)。多项分布的项数等于二,则变成二项分布。

      2. Bb(n,α,β)π=αα+βBin(n,π)。Beta-binomial分布,就是Beta分布和二项分布这一对共轭分布的结合。假设

πbeta(α,β)Xbinomial(n,π)

X|n,α,β就是满足Beta-binomial分布。我们可以计算Beta-binomial的概率
p(x|n,α,β)==10Cxnπx(1π)(nx)1B(α,β)π(α1)(1π)(β1)dπCxnB(α+x,β+nx)B(α,β)(1)

后面推不下去了(囧里个囧)。等我有能力看懂文献1,再补全。

 

      3. NBin(r,θ)r>,u=r(1θ)po(u) 。Negative Binomial描述这样的场景:我们不停地做抛银币实验,每次正面概率为θ。我们经历了第X次反面之后得到第r次正面, 则X符合Negative Binomial分布。易知概率公式如下所示

p(x|r,θ)====Cxr+x1θr(1θ)x(r+x1)!x!(r1)!(1ur)r(ur)xu=r(1θ)(r+x1)...rrx(1ur)ruxx!1(1+1r)...(1+x1r)(1ur)ruxx!(2)

 

      因为1(1+1r)...(1+x1r)r>1, (1ur)rr>eu

limr>p(x|r,θ)=uxeux!(3)

 

      4. Bin(n,θ)n>,u=nθpo(u) ,即二项分布随着n趋近于无穷而趋近于泊松分布。

====limn>p(x|n,θ)limn>Cxnθx(1θ)nxlimn>n!x!(nx)!(un)x(1un)n(1un)xu=nθlimn>n!nx(nx)!uxx!(1un)n(1un)xuxeux!NBin>po(4)

 

      历史上,泊松分布是这样推导出来的。实际上,我们可以这么理解:1个小时内通过某个路口的车辆数符合泊松分布。1个小时是由60分钟内组成的,每分钟通过某个路口的车辆数也满足泊松分布。1分钟是由60秒内组成的,每秒通过某个路口的车辆数也满足泊松分布。。。但是,当我们不停的细分下去,一段时间变成无数多个时刻之后,每个时刻只能以一定概率通过一辆车(一个时刻只能通过一辆)。这时通过的汽车数就变成n为无穷的二项分布了。

      5. Bin(n,θ)B(π) 。二项分布的每次实验都是伯努利实验。

      6. po(u)σ2=u,u>15N(u,σ2) 。泊松分布近似正态分布。在证明这个近似之前,我们先介绍一个统计学上个概念,Moment Generation Function (MGF)。随机变量X服从任意分布,如下定义MGF:

MX(t)=E[etX](5)

 

      MGF有一个重要的性质:如果两个分布的MGF相等,则这两个分布是相同的。因此,只要我们证明泊松分布的MGF趋近于正态分布的MGF,就证明泊松分布近似正态分布。泊松分布po(u)的MGF:

===MX(t)x=0uxeu+txx!eux=0(uet)xx!euetux=0(uet)xx!eueteut+12ut2et=x=0(t)xx!1+t+12t2(6)

正态分布的MGF:
MX(t)==12πσe(xu)22σ2etxdxeut+σ2t2212πσe(xuσ2t)22σ2etxdx=eut+σ2t22(7)

根据公式67,易知当σ2=u时,泊松分布的MGF近似于正态分布的MGF,因此泊松分布近似于正态分布。

 

      7. Bin(n,π)u=nπ,σ2=nπ(1π),u>15,nπ(1π)>15N(u,σ2)。 这里我们需要用到中心极限定理。 假设X_1,X_2,...,X_n是服从任意分布的独立同分布样本,E(Xi)=u并且Var(Xi)=σ2>0, 则随着n,ni=1XinunσN(0,1)。 我们进行n次成功的概率为π的bernouli实验,成功的次数为X,则根据二项分布的定义,

XBin(n,π)(8)

而根据中心极限定理,随着n趋近无穷,Xnπnπ(1π)N(0,1),即
XN(nπ,nπ(1π))(9)

综合公式89便可得到结论。

 

      8. N(0,1)N(u,σ2)。标准正态分布和一般正态分布的关系。

      9. MVN(uu,σσ)N(u,σ2)。正态分布是多元正态分布的一种特例。

      10. t(n)nN(0,1)t(n)表示自由度为n的Student t分布。Student t-分布可简称为t分布。其推导由威廉·戈塞于1908年首先发表,当时他在酿酒厂工作。因为不能以他本人的名义发表,所以论文使用了学生(Student)这一笔名。之后t检验以及相关理论经由罗纳德·费雪的工作发扬光大,而正是他将此分布称为Student t 分布。

      如果X1,X2,...,Xn是服从n(u,σ)的独立同分布的样本。我们知道X¯uσ/n服从u(0,1)分布,其中X¯=ni=1Xi。由于σ一般是未知的,我们不能用X¯uσ/n估计u。但是如果我们知道X¯uS/n的分布,其中S=1n1ni=1Xi,我们就能估计u了。事实上,X¯uS/n满足t分布。t分布的公式:

p(t)=Γ(n+12)Γ(n2)1nπ1(1+t2/n)(n+1)/2(10)

 

      我们先处理t分布公式的前半部分。先假设n为偶数的情况,即n=2k。n为奇数的情况类似,不详述。

===Γ(n+12)Γ(n2)1nπΓ(k+12)Γ(k)1nπ(2k)!π(k!)24k1nπΓ(k+12)=(2k)!π(k!)4k2π2ke2k(2k)2kπ(2πkekkk)24k1nπStirlingn!2πnennn12π(11)

 

      我们接着处理t分布公式的后半部分。

=n1(1+t2/n)(n+1)/21(1+t2/2n/2)n/21(1+t2/n)1/2et2/2(12)

 

      综合公式11和公式12,得出结论:当n很大时,t分布近似于标准正态分布。

      11. N(0,1)X21+X22+...+X2nχ2(n)χ2(n)是自由度为n的卡方分布。标准正态分布和卡方分布的关系是天然的,因为卡方分布就是这么定义出来(囧里个囧)。根据这个定义,可以推导出卡方分布的概率密度公式。

p(x)=1Γ(n/2)2n/2xn/21ex/2(13)

 

      12. G(α,β)α=n/2,β=2χ2(n)。 卡方分布是Gamma分布的一种特殊形式。Gamma分布的概率密度公式:

p(x|α,β)=1Γ(α)βαxα1ex/βx0(14)

 

需要说明的是,原图的转化条件有错。正确的转化条件是α=n/2,β=2, 而不是β=n/2,α=2

      13. G(α,β)u=αβ,σ2=αβ2,αN(u,σ2)。Gamma分布有一个重要性质:可加性。即假设X_1,X_2,...,X_n是服从Gamma(α¯,β)的独立同分布样本,则有ni=1XiGamma(α,β), 其中α=nα¯。易求得Gamma分布的期望和方差:E(Xi)=α¯β,Var(Xi)=α¯β2, 根据中心极限定理, 随着n,

ni=1Xinα¯βnα¯β2N(0,1)=>i=1nXiN(αβ,nαβ2)(15)

因此我们很容易得出:
Gamma(nα,β)N(nαβ,αβ2)(16)

 

      需要说明的是,原图的转化条件有错。正确的转化条件是u=αβ,σ2=αβ2,α, 而不是u=α/β,σ2=α/β2,α。写到这,我回过味来了,难道是原图中的Gamma分布用了不一样的形式? 满地打滚,再次求原图的出处!

1 Teerapabolarn, K. "A bound on the binomial approximation to the beta binomial distribution." International Mathematical Forum. Vol. 3. No. 28. 2008.

 

posted @ 2015-01-15 21:34  菜鸡一枚  阅读(2018)  评论(0编辑  收藏  举报