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ポアソン分布

概要

ポアソン分布(Poisson distribution)は、一定の時間・空間の中で稀に起こる事象の発生回数を表す離散確率分布である。

二項分布において試行回数nnが大きく、成功確率ppが小さい場合の極限として導出される(ポアソンの小数の法則)。事象の発生が互いに独立で、発生率が一定であるポアソン過程の基礎となる分布である。

確率質量関数

P(X=k∣λ)=λke−λk!,k=0,1,2,…P(X=k \mid \lambda) = \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}, \quad k=0,1,2,\dots
  • λ>0\lambda > 0: 単位時間(空間)あたりの平均発生回数(rate parameter)

二項分布からの導出

二項分布B(n,p)B(n,p)においてn→∞, p→0n \to \infty, \ p \to 0かつnp=λnp = \lambda(一定)のとき:

(nk)pk(1−p)n−k=n!k!(n−k)!(λn)k(1−λn)n−k\binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}\left(\frac{\lambda}{n}\right)^k\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{n-k}
=n(n−1)⋯(n−k+1)nk⋅λkk!⋅(1−λn)n⋅(1−λn)−k= \frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k} \cdot \frac{\lambda^k}{k!} \cdot \left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{n} \cdot \left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{-k}

n→∞n \to \inftyのとき、n(n−1)⋯(n−k+1)nk→1\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k} \to 1、(1−λn)n→e−λ\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{n} \to e^{-\lambda}、(1−λn)−k→1\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{-k} \to 1 であるから、

lim⁡n→∞(nk)pk(1−p)n−k=λke−λk!\lim_{n\to\infty} \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k} = \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}

累積分布関数

F(k)=P(X≤k)=e−λ∑i=0kλii!F(k) = P(X \leq k) = e^{-\lambda} \sum_{i=0}^{k} \frac{\lambda^i}{i!}

閉じた形の表現はなく、正則化された上側不完全ガンマ関数を用いて

F(k)=Γ(k+1,λ)k!F(k) = \frac{\Gamma(k+1, \lambda)}{k!}

と表すこともできる。

期待値・分散

E[X]=λE[X] = \lambda
V[X]=λV[X] = \lambda

ポアソン分布の特徴的な性質として、期待値と分散が等しい(等分散性, equidispersion)。

図

性質

  • 再生性: X1∼Poi(λ1),X2∼Poi(λ2)X_1 \sim \text{Poi}(\lambda_1), X_2 \sim \text{Poi}(\lambda_2)が独立ならX1+X2∼Poi(λ1+λ2)X_1 + X_2 \sim \text{Poi}(\lambda_1 + \lambda_2)

  • ポアソンの小数の法則: 二項分布B(n,p)B(n,p)でnnが大きくppが小さいときPoi(np)\text{Poi}(np)で近似可能

  • 正規近似: λ\lambdaが大きいとき正規分布N(λ,λ)N(\lambda, \lambda)で近似可能(中心極限定理)

  • 指数型分布族に属する

  • 過分散(overdispersion): 実データでは分散が期待値より大きいことが多く、その場合は負の二項分布が代替として用いられる

応用例

  • 単位時間あたりのコールセンターへの着信回数

  • ウェブサイトへの単位時間あたりのアクセス数

  • 一定面積あたりの放射性崩壊の回数

  • 希少疾患の発症数のモデリング

  • ポアソン回帰(GLMの一種)によるカウントデータの分析

参考文献