機率與統計 -- 機率模型

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在程式設計領域,「設計模式」是一些經常被使用到的物件樣式,而在數學領域,也同樣存在著某些「常見模式」,在機率統計領域,這些「常見模式」就是機率分布。

  • 柏努力試驗:每次試驗可以分為成功或失敗 (例如投擲銅板得到正面代表成功,反面代表失敗)。

機率分布可以分為「離散型」與「連續型」兩類,以下是一些常見機率分布的「密度函數」與「R 函數」。

機率分布 (離散型)

機率模型 密度函數 R 函數名稱 說明 用途
二項分布 ${n \choose x} p^x (1-p)^{n-x}$ binom(n:size, p:prob) n:樣本數, p:正面機率 n 次試驗中有 x 個成功的機率
多項分布 $\frac{n!}{x_1!...x_k!} p_1^{x_1} p_2^{x_2}...p_k^{x_k}$ multinom(n:size, p(1..k):prob) n:樣本數, p[1..n]:各項的機率
負二項分布 ${x-1 \choose r-1} (1-p)^{x-r} p^r$ binom(size, prob) x:樣本數, , p:正面機率 要得到第 r 次成功所需要的試驗次數
幾何分布 $(1-p)^{x-1} p$ geom(p:prob) p: 成功機率 第一次成功所需要的試驗次數
超幾何分布 $\frac{{ r \choose x} {N-r \choose n-x}}{N \choose n}$ hyper(N:m,n:n,r:k) m:白球數量, n:黑球數量, k:抽出球數 同二項分布,但取樣後不放回
布瓦松分布 $\frac{e^{-\lambda s} {\lambda s}^x}{x!}$ pois(lambda) k:期望值, $\lambda = \frac{k}{s}$ $k=\lambda s$,在 s 時間內,事件出現平均 k 次

機率分布 (連續型)

機率模型 密度函數 R 函數 說明 用途
常態分布 (Normal) $\frac{1}{\sqrt{2\pi} \sigma} e^{- \frac{1}{2} [(x-\mu)/\sigma]^2}$ norm(mean, sd) 中央極限定理:x1+x2+…+xk; 當 k 越大就越接近常態分布
伽瑪分布 (Gamma) $\frac{1}{\Gamma(a) b^{a}} x^{a-1} e^{-x/b}$ gamma(shape, rate = 1, scale = 1/rate) $\Gamma(k) = \int_{0}^{\infty} z^{k-1} e^{-z} dz$ 指數分布與卡方分布都是 Gamma 分布的特例
指數分布 (Exponential) $\frac{1}{b} e^{-x/b}$ exp(rate) 伽瑪分布($a=1, b=\frac{1}{\lambda}$) 布瓦松過程中,第一次事件出現的時間 W
卡方分布 (Chi-Square) $\frac{1}{2^{\gamma/2}\Gamma(\gamma/2)}\,x^{\gamma/2 - 1} e^{-x/2}$ chisq(df, ncp) 伽瑪分布($b=2, a=\gamma/2$) 利用樣本推斷母體變異數
均勻分布 (Uniform) $\frac{1}{b-a}$ unif(a:min, b:max) a:範圍下限, b: 上限 出現機會均等
柯西分布 (Cauchy) $\frac{1}{\pi} \frac{a}{a^2 + (x-b)^2}$ cauchy(b:location, a:scale)
威布爾分布 (Weibull) $a b x^{b-1} e^{-a x^{b}}$ weibull(a:shape, b:scale) $\rho(t)=\frac{f(t)}{R(t)}$ 可靠度工程:f(x) 失敗時間, R(t) 可靠度, $\rho(t)$ 失敗率
T 分布 (T) $\frac{Z}{\sqrt{X_{\gamma}^2/\gamma}}$ t(df, ncp) 估計變異數時使用的分布
F 分布 (F) $\frac{X_{\gamma_1}^2 / \gamma_1}{X_{\gamma_2}^2/\gamma_2}$ f(df1, df2, ncp) 等變異數 F 檢定時使用
貝塔分布 (Beta) beta(a:shape1, b:shape2, ncp)
對數常態分布 (Log Normal) lnorm(meanlog, sdlog)
邏輯分布 logis(location, scale)
Signrank signrank(n)
威爾斯 wilcox(m, n) a,b 為兩組樣本

參考:Distributions in the stats package — http://stat.ethz.ch/R-manual/R-patched/library/stats/html/Distributions.html

非標準 R 函數

反常態分布 invnorm(m, l)
反伽瑪分布 invgamma(shape, scale)
Dirichlet 分布 dirichlet(a1, a2, …, ak)
柏累托分布 pareto(a,b)
瑞利分布 (Rayl) rayl(b)

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