卜瓦松過程(Poisson process)
/ pwah-SON /
想像雨滴打在一片屋瓦上,或客服中心進來的電話,或一個接一個衰變的放射性原子。事件以一個穩定的長期速率到來,但每一個都落在無法預測的瞬間,而且一個落在哪裡完全不告訴你下一個何時到來。卜瓦松過程正是這件事的乾淨數學模型:事件在時間上完全隨機地散落,既不成團也不互斥,以某個平均速率 lambda(每單位時間)到來。
有三種等價的方式可以把它釘死,而它們竟然彼此一致,這點很令人驚訝。(1) 數任一窗口內的事件。長度為 t 的窗口內的數目服從平均為 lambda*t 的卜瓦松分配,而不重疊的窗口內的計數彼此獨立。(2) 量相鄰事件之間的間隔。這些到達間隔時間彼此獨立,每一個都是速率 lambda 的指數分配,因而具無記憶性。(3) 放大一段長度為 h 的微小區間:恰好一個事件的機率約為 lambda*h,兩個或更多的機率可忽略(h^2 階),且不相交的微小區間彼此獨立地行動。這三者中任何一個都完全決定出同一個過程——這正是卜瓦松過程之所以特殊而標準的原因。
它之所以重要,是因為「在時間上完全隨機」是用來檢驗真實到達模式的天然虛無模型:排隊、網路流量、保險理賠、神經元放電、光子偵測。值得誠實說明它內建的關鍵假設:速率 lambda 隨時間恆定(沒有尖峰時段)、事件一個一個到(沒有同時的雙胞胎)、未來與過去獨立。當真實資料成團或有日節律時,你會改用非齊次或複合版本,但樸素的卜瓦松過程是它們全部賴以建立的基石。
某客服中心以速率 lambda = 3(每分鐘)按卜瓦松過程接到電話。2 分鐘內到達的數目是平均為 3*2 = 6 的卜瓦松。接下來 2 分鐘內「沒有」任何電話的機率是 e^(-6),約 0.0025——無論你從指數間隔還是從計數來算都得到同一個答案,因為三種定義彼此一致。
計數、間隔、無窮小速率:同一個過程的三種觀點,永遠一致。
卜瓦松過程「不是」「事件均勻分布」——真正的隨機性會產生成團與長間隔;完美均勻的間距反而是該過程不是卜瓦松的徵兆。