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【統計検定準1級対策③】二項分布の確率関数,期待値,分散,母関数の導出過程

Last updated at Posted at 2022-04-09

結論

確率関数

f(x) = {}_{n}C_{x}p^x(1-p)^{n-x} \ \  (x = 0,1,\cdots,n)

期待値,分散

E[X] = np, \ \ V[X]=np(1-p)

母関数

G(s) = (ps+1-p)^n

期待値の導出

二項分布は,ベルヌーイ試行($X_1,\cdots,X_n$)の結果の和($X_1+\cdots+X_n=X$)が従う分布でした。

したがって,期待値の線形性(「和の期待値」=「期待値の和」という性質)を使って

\begin{align*}
E[X] &= E[X_1 + \cdots + X_n]\\
&= E[X_1] + \cdots + E[X_n]\\
&= \underbrace{p + \cdots + p}_{n \text{個}} = np
\end{align*}

分散の導出

分散も,期待値の時と同じ考え方です。

$X,Y$が独立ならば,$V[X\pm Y] =V[X]+V[Y]$なので

\begin{align*}
V[X] &= V[X_1 + \cdots + X_n]\\
&= V[X_1] + \cdots + V[X_n]\\
&= \underbrace{p(1-p) + \cdots + p(1-p)}_{n \text{個}} = np(1-p)

\end{align*}

母関数の導出

こちらも期待値・分散のときと同様,二項分布はベルヌーイ分布の和であることを利用します。

ここでは,$X,Y$が独立であることの定義:$E[XY]=E[X]E[Y]$を用いています。

確率母関数の定義:$G(s)=E[s^X]$ から,

\begin{align*}
G(s) &= E[s^X]\\
&= E[s^{X_1+\cdots+X_n}]\\
&= E[s^{X_1}\times \cdots \times s^{X_n}]\\
&= E[s^{X_1}]\times \cdots \times E[s^{X_n}]\\
&= \underbrace{(ps+1-p) \times \cdots \times (ps+1-p)}_{n \text{個}} = (ps+1-p)^n
\end{align*}

まとめリンク

【統計検定準1級対策】確率分布の確率関数,期待値,分散,母関数まとめ

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