Kurs: S0008M Förkunskaper: Stokastisk variabel, Oberoende upprepningar
Binomialfördelningen räknar hur många av oberoende försök som lyckas, när varje försök lyckas med samma sannolikhet . Den är kursens vanligaste diskreta fördelning och grunden för både Poisson- och normalapproximationen.
1. Sannolikhetsfunktionen
Upprepa samma försök gånger, oberoende av varandra, där varje försök antingen lyckas (sannolikhet ) eller misslyckas. Låt vara antalet lyckade försök. Då är binomialfördelad, , med
De tre faktorerna säger var sin sak:
- — de försök som lyckas. Oberoende, alltså multiplicerat.
- — de som misslyckas.
- — antalet sätt att välja vilka av de försöken som är de lyckade. Utan den räknar vi bara en enda specifik ordningsföljd.
Fyra villkor måste hålla
- Fixt — antalet försök bestäms i förväg, inte av utfallet.
- Två utfall per försök — lyckat eller inte.
- Samma i alla försök.
- Oberoende försök.
Faller något av dem är det inte en binomialfördelning. Dragning utan återläggning bryter mot både 3 och 4.
2. Väntevärde och varians
Båda följer direkt ur att är en summa av oberoende Bernoullivariabler , där varje är vid lyckat försök och annars. Eftersom och ger väntevärdets linjäritet och variansens additivitet vid oberoende resultatet med termer.
Variansen är som störst vid och krymper mot noll när närmar sig eller — vilket är rimligt, för då är utfallet nästan givet på förhand.
Exempel — exakt två sexor på fem tärningskast
Vi kastar en rättvis sexsidig tärning fem gånger. Vad är sannolikheten att exakt två av kasten ger en sexa?
Lösning
Setup. “Lyckat” = sexa, alltså , , och vi söker . Kasten är oberoende och är densamma i alla, så .
Räkningen.
Rimlighetskoll. Väntevärdet är sexor. Två sexor ligger alltså över det förväntade men bara drygt en standardavvikelse bort, eftersom . Att det landar på ungefär är därför rimligt — ovanligt, men långt ifrån osannolikt.
På räknaren.
binomPdf(5,1/6,2).Ej kontrollerat mot facit — två oberoende lösningar stämmer överens.
Till vänster syns tärningsexemplet: massan ligger vid och , precis som väntevärdet antyder. Till höger flyttar tyngdpunkten i sidled, och staplarna är som bredast vid — samma sak som att variansen maximeras där.
3. Släktingar och gränsfall
Binomialfördelningen sitter mitt i ett nät av andra fördelningar, och det är ofta enklare att räkna med grannarna:
| Situation | Vad som händer |
|---|---|
| Fördelningen reduceras till en Bernoullifördelning | |
| och | Poissonapproximation |
| Normalapproximation — se normalfördelningen | |
| Dragning utan återläggning | Hypergeometrisk fördelning i stället — försöken är inte oberoende |
Beteckning
Kursen skriver med , som Vännman. I annan litteratur är vanligare.
Varför normalapproximationen dyker upp
Eftersom är en summa av många oberoende likafördelade termer är centrala gränsvärdessatsen tillämplig. Det är samma mekanism som gör normalfördelningen till standardsvar överallt annars.
Vanliga fel
- Dragning utan återläggning är inte binomisk. Ändras sannolikheten mellan försöken är det hypergeometrisk fördelning.
- Glömma binomialkoefficienten. ; utan får man sannolikheten för en bestämd ordning.
- Fel gräns i
binomCdf.binomCdf(n,p,a,b)ger med båda gränserna inräknade; “fler än 3” börjar på .
4. Lösta lektionsuppgifter
Lektion 4, övning 1 och 3 — Samtidiga databassökningar
I ett rum står 5 datorer uppkopplade mot en server. Under av tiden gör var och en sökningar i en databas, oberoende av varandra. Vad är sannolikheten att det vid en given tidpunkt pågår
a) exakt 2 sökningar samtidigt,
b) minst 2 sökningar samtidigt?
Vilken fördelning har = antalet samtidiga sökningar, och med vilka parametrar?
Lösning
Modell. Fem oberoende datorer, var och en söker med sannolikheten . Antalet som söker är därför binomialfördelat: , med parametrarna och .
a)
b) Via komplementet “högst 1”:
På räknaren.
binomPdf(5,0.2,2)respektivebinomCdf(5,0.2,2,5).Facit: a) 0,2048, b) 0,2627; .
Lektion 4, övning 10 — Slumpvandring
En partikel utför slumpvandring på heltalen: den startar på talet 0 och hoppar varje sekund ett steg, i negativ eller positiv riktning med sannolikheten vardera. Vad är sannolikheten att partikeln efter 10 sekunder befinner sig på talet 2?
Lösning
Översätt till antal steg. Låt = antal steg i positiv riktning av de 10. Positionen efter 10 steg är . Att hamna på betyder , alltså .
Fördelning. Stegen är oberoende med samma sannolikhet för positivt steg, så .
Rimlighetskoll. Paritet: efter ett jämnt antal steg står partikeln alltid på ett jämnt tal, så talet 2 är nåbart. Ett udda tal hade gett sannolikheten .
Facit: 0,205.
Se även
- Stokastisk variabel
- Hypergeometrisk fördelning
- Poissonfördelning
- Normalfördelning
- Talföljder och summor
- Mängdlära
Resurser
- 3Blue1Brown: Binomial distributions — bygger upp fördelningen från grunden, med bra intuition för binomialkoefficienten
- Khan Academy: Binomial random variables
- Wikipedia: Binomialfördelning
← Fördelningsfunktion · S0008M · Hypergeometrisk fördelning →