離散分布

二項到卜瓦松的極限(binomial-to-Poisson limit)

/ pwah-SON /

這是把二項與卜瓦松綁在一起的精確數學陳述——既是罕見事件法則、也是卜瓦松近似底下嚴謹的脊樑。它說:取一列二項分配,其中試驗數 n 邁向無窮,而成功機率 p 縮向零,安排得使乘積 np 釘在固定值 lambda。那麼二項 pmf 會逐項收斂到參數為 lambda 的卜瓦松 pmf。

你可以從代數中看著它發生。把二項機率寫成 C(n, k) p^k (1 - p)^(n-k),代入 p = lambda/n。組合因子 C(n, k) 除以 n^k 在 n 增大時趨於 1/k!(乘積 n(n-1)...(n-k+1) 約為 n^k)。lambda^k 這一項不動。而存活因子 (1 - lambda/n)^(n-k) 趨於 e^(-lambda),用的是經典極限 (1 - x/n)^n 趨近 e^(-x)。把三個極限片段相乘,恰好落在 e^(-lambda) lambda^k / k!,即卜瓦松 pmf。二項的兩個參數已融為一個:只有它們的乘積 lambda 存活。

為何它值得在近似之外另立名稱?因為作為極限定理,它是中央極限定理的離散事件類比,並解釋了關於世界的一個結構性事實:每當一個計數源自極多次幾乎獨立、且各自可忽略的機會時,卜瓦松就會出現,無論細節如何。這是普適性的一個小範例。誠實的界線一如既往——試驗必須維持獨立且總速率固定;群聚或會傳染的事件落在定理的觸及範圍之外。

Binomial(1000, 0.003) 有 lambda = np = 3。其 P(X = 2) 為 0.2244...,而 Poisson(3) 給出 e^(-3) 3^2 / 2! = 0.2240。兩者已吻合到小數點後三位。

n 趨無窮、p 趨 0、np = lambda 固定:兩個參數融為單一速率。

此極限需要在 p 縮小的同時保持 np 固定。它是中央極限定理的離散表親(計數的普適性),但仍假設試驗獨立且速率穩定。

又稱
Poisson limit theorem二項的卜瓦松極限