統計學(7)

2024 年 5 月 7 日
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這篇文章介紹常用之連續型機率分佈。在醫學領域,基本只需要理解幾個比較重要的機率分佈模式即可,或許常態分佈理解就夠了,其他的了解即可。

常態分佈

常態分配

機率密度函式:

f(x)=12πσe−(x−μ)2/2σ2,−∞<x<+∞f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-(x - \mu)^2/2\sigma^2}, -\infty < x < +\infty

常以 N(μ,σ)N(\mu, \sigma) 或者 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2) 表示。

  • μ\mu:影響圖像中心的位置。μ\mu 越大,曲線中心右移。
  • σ\sigma:影響圖像的形狀。σ\sigma 越大,曲線越矮胖。

特性:

  1. 圖像對稱於 μ\mu
  2. 隨機變數x的值可由 −∞-\infty 至 +∞+\infty
  3. 鍾形分佈
  4. 曲線下面積為 1
  5. 集中趨勢量數(平均數、中位數、眾數相同)

標準常態分佈

N(0,1)N(0, 1) 為標準常態分佈,使用字母 Z 表示。因此標準常態分佈又可以稱為 Z 分佈。

一般常態分佈之標準化:

Z=X−μσ,Z∼N(0,1)Z = \frac{X - \mu}{\sigma}, Z\sim N(0, 1)

常態分佈的判斷

  1. 直方圖:只要出現鐘形分佈圖形,即判定數據呈常態分佈。
  2. 常態機率圖:只要圖形接近直線,即判定數據呈常態分佈。
  3. 統計假設檢定:只要以下統計檢定之顯著度 p−value>0.05p-value>0.05,即判定數據呈常態分佈。
    • 卡方適配度檢定
    • K-S 檢定
    • A-D 檢定

使用常態機率估算二項機率

當 n 很大,p 接近 0.5 時,可以使用常態機率來估算二項機率。

例8:擲一個銅板 100 次,試求以下機率:

  1. 至少看到 70 次正面(人頭)?
  2. 看到正好 50 次正面?

首先做連續性校正。其含義是:如果一個離散型隨機變數 X,有 P(a≤X≤b)P(a \le X \le b),則將其 pass 為:P(a−12≤X≤b+12)P(a - \frac{1}{2} \le X \le b + \frac{1}{2})

則上述問題轉化為:

  1. P(X≥69.5)P(X \ge 69.5),或 P(Z=X−μσ≥3.9)P(Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \ge 3.9)
  2. P(49.5≤X≤50.5)P(49.5 \le X \le 50.5),或 P(−0.1≤Z=X−μσ≤0.1)P(-0.1 \le Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \le 0.1)

轉化爲 μ=np\mu = np,σ=npq\sigma = \sqrt{npq} 之常態分佈。

則 μ=50\mu = 50,σ=5\sigma = 5,則有 X∼N(50,5)X \sim N(50, 5)。

查表得:

  1. P(X≥70)≈0.005%P(X \ge 70) \approx 0.005\%
  2. P(X=50)≈7.96%P(X = 50) \approx 7.96\%

對數常態分佈

當變數X之自然對數 ln⁡X\ln X 呈常態分佈,則 X 服從對數常態分佈。

機率密度函數:f(x)={12πβx−1e(ln⁡x−α)22β2,x>0,β>00,otherwisef(x) = \begin{cases} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\beta}x^{-1}e^{\frac{(\ln x - \alpha)^2}{2\beta^2}}, x > 0,\beta > 0\\ 0, otherwise \end{cases}

期望值和變異數:

  1. 期望值:Exp(X)=μ=eα+12β2Exp(X) = \mu = e^{\alpha + \frac{1}{2}\beta^2}
  2. 變異數:Var(X)=σ2=e2α+β2(eβ2−1)Var(X) = \sigma^2 = e^{2\alpha + \beta^2(e^{\beta^2} - 1)}

齊一分佈(均等分佈)

連續型隨機變數 X 為齊一隨機變數,則 X 在某一連續的區間上有相同的機率密度。X 之機率密度函數如下:

f(x)={1β−α,α<X<β0,otherwisef(x) = \begin{cases} \frac{1}{\beta - \alpha}, \alpha < X < \beta\\ 0, otherwise \end{cases}

齊一分佈

期望值:

Exp(X)=μ=α+β2Exp(X) = \mu = \frac{\alpha + \beta}{2}

變異數:

Var(X)=σ2=(β−α)212Var(X) = \sigma^2 = \frac{(\beta - \alpha)^2}{12}

指數分佈

機率密度函數:

f(x)={λe−λx,x>0,λ>00,otherwisef(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x}, x > 0, \lambda > 0\\ 0, otherwise \end{cases}

期望值:

Exp(X)=1λExp(X) = \frac{1}{\lambda}

變異數:

Var(X)=1λ2Var(X) = \frac{1}{\lambda^2}

累加函數:

FX(t)=P(X≤t)=∫0tλe−λxdx=1−e−λtF_X(t) = P(X \le t) = \int_0^t \lambda e^{-\lambda x} dx = 1 - e^{-\lambda t}

則 P(X>t)=e−λtP(X > t) = e^{-\lambda t}

在波瓦松過程中,兩連續事件間的等候時間呈現指數分佈。

伽馬分佈

機率密度函數:

f(x)={1βαΓ(α)xα−1e−xβ,x>0,α>0,β>00,otherwisef(x) = \begin{cases} \frac{1}{\beta^\alpha \Gamma(\alpha)}x^{\alpha - 1}e^{-\frac{x}{\beta}}, x > 0, \alpha > 0, \beta > 0\\ 0, otherwise \end{cases}

其中 Γ(x)\Gamma(x) 爲伽馬函數:Γ(x)=∫0∞xα−1e−xdx,α>0\Gamma(x) = \int_0^{\infty} x^{\alpha - 1}e^{-x}dx, \alpha > 0

伽馬函數的特性:

  1. Γ(α)<∞,if α>0\Gamma(\alpha) < \infty, if\ \alpha > 0
  2. Γ(α)=(α−1)Γ(α−1),if α>1\Gamma(\alpha) = (\alpha - 1)\Gamma(\alpha - 1), if\ \alpha > 1
  3. Γ(α)=(α−1)!\Gamma(\alpha) = (\alpha - 1)!,當 α\alpha 爲一正整數

期望值與變異數:

Exp(X)=αβExp(X) = \alpha \beta

變異數:

Var(X)=αβ2Var(X) = \alpha \beta^2

伽馬函數

韋伯分佈

機率密度函數:

f(x)=αβ(βx)α−1e−βxα,x>0f(x) = \alpha \beta (\beta x)^{\alpha - 1} e^{-\beta x^\alpha}, x > 0

α>0,β>0\alpha > 0, \beta > 0,α\alpha 爲形狀參數,β\beta 爲尺度參數。

當 α=1\alpha = 1,韋伯分佈是指數分佈(λ=1β\lambda = \frac{1}{\beta}),α=2\alpha = 2 時,韋伯分佈是瑞利分佈。

貝塔分佈

機率密度函數:

f(x;α;β)=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)xα−1(1−x)β−1,0<x<1,α,β>0f(x;\alpha;\beta) = \frac{\Gamma(\alpha + \beta)}{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}x^{\alpha - 1}(1 - x)^{\beta - 1}, 0 < x < 1, \alpha, \beta > 0

beta分佈

統計學(7)
https://blog.kynix.tw/posts/1731112459901/
作者
Adrian Chen
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2024 年 5 月 7 日
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