wq-1. ポアソン分布,指数分布,
アーラン分布
1
金子邦彦
(待ち行列の数理)
URL: https://www.kkaneko.jp/cc/wq/index.html
トライン
1-1 離散分布と確率変数
1-2 ポアソン分布
1-3 連続分布
1-4 指数分布
1-5 アーラン分布
2
1-1 離散分布と確率変数
3
離散変数 X 確率分布
XiΩ)となる確率
P(i) = Prob[X=i]
Ω:有限個あるいは加算無限個の要素をもつ集合
XΩ上の値を取る離散変数(離散的確率変数)
4
離散変数の確率分布
確率変数 X 確率分布
P {P(i): iΩ}
例えば P(0) = 0.1, P(1) = 0.6, P(2) = 0.3 のと
き,P = {0.1, 0.6, 0.3}
確率分布 P は,
0 P(i) 1
ΣP(i) = 1
を満足
5
離散変数の確率分布
平均と2乗平均
確率分布 P に従確率変数 X 平均
E[X] = ΣiP(i)
確率分布 P に従確率変数 X 2乗平均
E[X ] = Σi P(i)
i=0
i=0
6
分散
確率分布 P に従確率変数 X 分散
Var[X] = ΣiE[X]) P(i)
= E[X ] (E[X])
i=0
7
1-2 ポアソン分布
8
ポアソン分布
ランダムに事象が発生する
観測を始めてから,時間 以内に k 個の事象が発
生する確率を考えた
時間 以内に発生する事象の回数
離散変数である
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ポアソン分布の定義
時間 (t, t+t) での事象の確率的法則が
時刻 t に依存しない
時刻 t 以前のジョブの数に無関係
時間 (t, t+t) の間の発生確率がλtと書ける
t → 0 のとき, t の間に2つ以上の事象が発生しない
10
ポアソン分布の確率分布関
時間 [0, ] 以内に k 個の事象が発生する確率
時間 [0, t] を整数 n で等分割
t =
1つの区間では,2つ以上の事象が発生しないく
らいに,細かく分割
n 個の区間のちに,k個の区間で事象が発生す
る確率を求める
t
n
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ポアソン分布の確率分布関
n 個の区間のちに,k個の区間で事象が
生する確率
n-k 個の区間では,事象が発生しない
各区間で事象が発生する確率は λt
(λt ) ( 1 λt)
kn - k
( )
n
k
12
ポアソン分布の確率分布関
kn - k
lim n
k(λt ) ( 1 λt )
n →∞
kn - k
= lim n!
k! ( nk)! (λt ) ( 1 λt )
n →∞
k
n - k
= lim n!
k! ( nk)! (λt / n ) ( 1 λt / n )
n →∞
kn
= lim n!
k! ( nk)! (λt / n ) ( 1 λt / n ) ( 1 λt / n )
n →∞
- k
n
= lim(λt)
k! ( 1 λt / n ) ( 1 λt / n )
n →∞
- kk
( nk)! n
n!
13
k
( )
ポアソン分布の確率分布関
k
n
= lim(λt)
k! ( 1 λt / n ) ( 1 λt / n )
n →∞
- kk
( nk)! n
n!
n
= lim(λt)
k! ( 1 λt / n )
n →∞
k
= (λt) e
k!
k-λt
n →∞
lim ( 1 + x ) = e
1/x
14
ポアソン分布 P に従確率変数 X 平均
E[X] = ΣkP(k)
k=0
= k (λt) e
k!
k-λt
k=0
Σ
= (λt)
(k 1)!
k - 1
k=1
Σ
(λt) e-λt
= (λt) e e
-λt λt
= λt
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ポアソン分布の平均
ポアソン分布 P に従確率変数 X 2乗平均
E[X] = ΣkP(k)
= Σk(k1)P(k) + ΣkP(k)
= (λ) + λ
k=0
2
k=2
k=1
2
16
ポアソン分布の2乗平均
ポアソン分布の分散
ポアソン分布 P に従確率変数 X 分散
Var[X] = E[X ] (E[X])
= λ
17
例題
1分あたり平均0.5人の客が来るとする
(但し,アソン分布).10分間に5人以
上の客がくる確率を求めよ
λ = 0.5 のポアソン分布になる
t = 10 に代入
(λt) e
k!
k-λt
18
1-3 連続分布
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確率分布が定まらない場合
実数値をとる確率変 X
Xが特定の値をとる確率: 一般には無限小
確率分布 P {P(i): iΩ} 定まらない
以下,Xは,正または0の実数値をとるものと
考える
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確率分布関数
確率変数 X 確率分布関数
F(x) = Prob[X x]
確率分布関数 F(x) は,
0 F(x) 1
x1< x2ならば F(x1F(x2)
F(0) = 0
F(∞) = 1
を満足する
21
確率分布関数の意味
確率変数 X が,区間(x, x+x]の値をとる確率
Prob[x < X x + x]
= F(x+x) F(x)
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確率密度関数
確率変数 X 確率密度関数
f(x) = lim Prob[x < X x + x]
= lim F(x+x) F(x)
=
x→0
1
x1
x
x→0
dF(x)
dx
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平均と分散
確率密度関数 f(x) に従確率変数 X 平均
E[X] = x f(x) dx
確率密度関数 f(x) に従確率変数 X 分散
Var[X] = (x E(x)) f(x) dx
0
0
2
24
1-4 指数分布
25
指数分布
ポアソン分布(ランダムに事象が発生する)
において,ある事象が起きてから,次の事象
が起きるまでの時間を考える
この「時間」の分布は,指数分布になる
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指数分布の確率分布関数
ある事象が起きてから,次の事象が起きるまで
の時間
F(t) = Prob[X t]
= 1 eμt
μは処理率と呼ぶ
27
指数分布の確率密度関数
指数分布に従確率変数 X の確率密度関数
f(x) =
= μe
dF(x)
dxμt
28
指数分布の平均
指数分布に従確率変 X 平均
E[X] = t f(t) dt
= t μedt
= [t μe] + edt
0
μt
0
μt
0
0
μt
= 1
μ
29
指数分布に従確率変数 X 分散
E[X] = t ) f(t) dt
= t f(t) dt tf(t) dt+ f(t) dt
= [t μe] + 2 t edt +
0
0
μt
0
0
μt
= 1
μ
1
μ
2
2
0
0
2
μ
1
μ2
22
μ
μ
μ2
2
30
指数分布の分散
ポアソン分布と指数分布
ポアソン分布において,時刻 t = 0 から T まで
間に事象が起きな確率
Prob[X>T] = (λT) e
k!
k -λT
k = 0
λt
= e
これは λ=μのときの指数分布と等しい
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1-5 アーラン分布
32
アーラン分布
2つの処理 AB を連続して行
A の処理時間は μa の指数分布
B の処理時間は μb の指数分布
このときの,処理時間の確率密度関数は?
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アーラン分布の確率密度関
fc(t) = Prob[ Xa + Xb = t ]
= fa(τ) fb( t τ) dτ
= μaeμbe
0
t
μaτ μb(tτ)
0
t
=
μaμb
μaμb( ee) μa≠μb
μa μb
μat eμaμb
μa
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ランダム性は,情報通信の分析にも役立つ
交換器と通信トラフィックの数理について
ポアソン分布,指数分布 ランダム性を表す
待ち行列 交換器の振る舞いを表す
アーランの即時式モデル -交換器のモデル
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