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과학

푸아송 이항분포

푸아송 이항분포과학
영문명
Poisson binomial distribution
확률변수
독립 성공 지시변수의 합
모수
시행별 성공 확률 p_i
기본 범위
0부터 시행 수 n까지의 정수
푸아송 이항분포는 성공 확률이 서로 달라도 되는 독립 베르누이 확률변수들의 합이 따르는 이산분포다. 모든 확률이 같으면 이항분포로 줄어들며, 푸아송 분포와 같은 분포는 아니다.

다른 확률의 성공을 합한다

각 X_i가 성공하면 1, 실패하면 0이고 성공 확률은 p_i라고 하자. 서로 독립일 때 K=ΣX_i의 분포가 푸아송 이항분포다. 성공 확률들이 다르다는 점에서 기본 이항분포보다 일반적이다. 확률값이 다르면 안 된다는 제약을 풀었지만 독립 조건까지 없앤 것은 아니다. 의존하는 성공 여부의 합을 같은 모수만으로 표현할 수는 없다.

두 시행의 확률 계산

성공 확률이 0.2와 0.7인 독립 시행 두 개에서 성공 0번의 확률은 0.8×0.3=0.24다. 성공 두 번은 0.2×0.7=0.14이고, 정확히 한 번은 0.2×0.3+0.8×0.7=0.62다. 세 확률의 합은 1이다. 어떤 시행이 성공했는지를 구분한 결과들을 더해 같은 성공 개수의 확률을 구한다.

평균 확률로 바꾸면 달라진다

위의 평균 성공 횟수는 0.2+0.7=0.9다. 두 확률을 평균 0.45로 바꾼 이항분포도 평균 횟수는 0.9지만, 성공 두 번의 확률은 0.45²=0.2025로 다르다. 원래 합의 분산은 0.2×0.8+0.7×0.3=0.37이고 평균 확률 이항분산은 2×0.45×0.55=0.495다. 평균만 같게 맞춰서는 분포 전체가 보존되지 않는다.

생성다항식과 계산

각 시행의 다항식 (1−p_i)+p_i z를 모두 곱하면 z^k의 계수가 성공 k번의 확률이 된다. 이 관계로 순차 합성이나 빠른 계수 계산을 구성할 수 있다. 실제 계산에서는 확률 합과 작은 꼬리 확률의 수치 정밀도를 확인해야 한다. 이름에 푸아송이 들어가더라도 가능한 성공 횟수는 유한한 시행 수를 넘지 않으며, 푸아송 근사를 쓴다면 별도의 근사 조건을 검토한다.

관련 문서

이항분포 / 베르누이 분포 / 푸아송 분포 / 분산 / 기댓값 / 독립사건