“例如成功率为 $(.02,.05,.08,.15)$,λ=.30,右端为.0318。Poisson–二项递推算得精确零次概率 $364021/500000=.728042$;同均值Poiss…”
四个部件的故障概率可以各不相同。若故障相互独立,故障总数仍容易精确计算,却一般不服从用平均故障率填入的二项分布。Poisson–二项分布保留每个部件自己的成功率;名字中的Poisson也不表示它已经等于Poisson分布。
形式陈述
独立不同率的和
设整数
称 W 的分布为Poisson–二项分布,记为
这个定义包括退化参数。若其中 s 个参数为1,r个严格在0与1之间,W的支持恰为整数
生成多项式与矩
独立性把有限乘积的期望拆开,得到
这是普通多项式,系数就是式(1)的概率,不需要讨论无穷级数的收敛半径。把每个因子中的
这里的向量
直觉
每加入一个部件,旧的“恰好k个故障”有两条来路:旧时已经k个且新部件正常,或者旧时k−1个且新部件故障。因此无需枚举全部
相同均值并不能恢复这份分布。例如某个部件几乎必坏、另一个几乎必不坏时,总数反而很稳定;把两者都改成中间概率会制造原模型没有的波动。是否同率与是否独立是两个分开的条件。
一次卷积的完整递推
令
初值为
一维原地实现如下,数组初始为
for j = 1,...,n:
for k = j,j-1,...,1:
v[k] = (1-p[j])*v[k] + p[j]*v[k-1]
v[0] = (1-p[j])*v[0]
内层必须从大k向小k。这样右侧仍是第j−1层的数据,当前Bernoulli只被使用一次。全部质量的时间为O(n²)次算术,额外空间O(n);尾概率再求和。若只需
例子与边界
三个不同部件
取
例如恰好两个故障的概率是
若改用平均参数
右侧非负,且只在各p相同时为零。同均值的同率替代不能保证每一个尾概率的误差方向;式(5)只比较方差。
顺序、退化与独立性
输入参数的排列不改变式(2),可以借此检查实现。p=0的因子是1,p=1的因子是z,先删掉前者并把后者记作确定平移,能减少实际运算。若全部参数退化,则输出一个点质量,不应再除以零方差标准化。
原地正序更新会犯另一种错误。只处理一个
如果两个变量实际完全相同,
推论与应用
当全部
当每个事件都很稀有,Chen–Stein方法给出有限样本证书:以同均值Poisson替代时,任意事件的概率误差均不超过
式(4)只含非负加乘,避免了某些交替和公式的相消,但机器浮点仍可能下溢,也可能使质量和轻微偏离1。精确有理输入可用分数实现复算;若要求严格包含,需用可靠端点运算。O(n²)是算术操作数,不是有理数位长无关的总时间,也没有声称这是所有规模下最快的算法。
参考资料
- Wenpin Tang and Fengmin Tang,The Poisson Binomial Distribution—Old & New,Statistical Science 38(1),2023,pp.108–119;§1定义,§5式(26)的直接卷积及计算成本。本页三变量表和原地更新反例逐项复算。
- Sean X. Chen and Jun S. Liu,Statistical Applications of the Poisson-Binomial and Conditional Bernoulli Distributions,Statistica Sinica 7,1997,pp.875–892;不同Bernoulli率的计数与递推。一般相关条件模型不由本页的独立乘积自动覆盖。