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二項分布

概要

ベルヌーイ試行を独立にnn回行ったときの「成功」の回数の分布。最も基本的な離散確率分布の一つであり、品質管理、医学統計、マーケティングなど幅広い分野で利用される。

確率質量関数

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

パラメータ:

  • nn: 試行回数(自然数)

  • pp: 各試行での成功確率 (0≤p≤10 \leq p \leq 1)

  • (nk)=n!k!(n−k)!\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}: 二項係数

導出

i=1,2,…,ni=1,2,\dots,nに対して確率変数XiX_iを成功のとき1、失敗のとき0をとるものとすると、「成功」の回数はY=∑i=1nXiY=\sum^n_{i=1}X_iと表すことができる。

Y=kY=kとなる確率は以下のようになる。

P(Y=k)=(nk)pk(1−p)n−kP(Y=k) = \binom{n}{k} p^k (1 - p)^{n-k}

累積分布関数

F(k)=P(X≤k)=∑i=0k(ni)pi(1−p)n−iF(k) = P(X \leq k) = \sum_{i=0}^{k} \binom{n}{i} p^i (1-p)^{n-i}

二項分布の累積分布関数には閉じた形の式は存在しない。正則化不完全ベータ関数を用いて

F(k;n,p)=I1−p(n−k,k+1)F(k; n, p) = I_{1-p}(n - k, k + 1)

と表すこともできる。

期待値・分散

E[X]=npE[X] = np
V[X]=np(1−p)V[X] = np(1-p)

導出

X=∑i=1nXiX = \sum_{i=1}^n X_i (Xi∼Bernoulli(p)X_i \sim \text{Bernoulli}(p)が互いに独立)と表せることを利用する。

ベルヌーイ分布の期待値はE[Xi]=pE[X_i] = p、分散はV[Xi]=p(1−p)V[X_i] = p(1-p)であるから、期待値の線形性より

E[X]=E[∑i=1nXi]=∑i=1nE[Xi]=npE[X] = E\left[\sum_{i=1}^n X_i\right] = \sum_{i=1}^n E[X_i] = np

XiX_iが互いに独立であるため、分散についても

V[X]=V[∑i=1nXi]=∑i=1nV[Xi]=np(1−p)V[X] = V\left[\sum_{i=1}^n X_i\right] = \sum_{i=1}^n V[X_i] = np(1-p)

が成り立つ。

Source
<Figure size 800x300 with 2 Axes>

性質

  • n=1n=1のときベルヌーイ分布に一致

  • 再生性:X1∼B(n1,p),X2∼B(n2,p)X_1 \sim B(n_1, p), X_2 \sim B(n_2, p)が独立ならX1+X2∼B(n1+n2,p)X_1+X_2 \sim B(n_1+n_2, p)

  • nnが大きくppが小さいとき、ポアソン分布Poi(np)\text{Poi}(np)で近似可(ポアソンの小数の法則)

  • npnpとn(1−p)n(1-p)がともに十分大きいとき、正規分布N(np,np(1−p))N(np, np(1-p))で近似可(中心極限定理)

  • 最頻値は⌊(n+1)p⌋\lfloor (n+1)p \rfloorまたは⌊(n+1)p⌋−1\lfloor (n+1)p \rfloor - 1

応用例

  • 品質管理における不良品数のモデリング

  • 臨床試験における治療成功数

  • A/Bテストでのコンバージョン数

  • 選挙における得票数の予測

参考文献