深入理解泊松分布及其应用

介绍泊松分布的基本概念及其在设备维修中的具体应用和计算。

原文标题:泊松分布 | 应用题

原文作者:数据派THU

冷月清谈:

本文介绍了泊松分布的基本概念及应用,泊松分布是一种常见的离散型概率分布,主要通过一个参数λ来描述。通过实际案例分析,文章说明了在设备故障率计算中如何运用泊松分布模型。举例中,包括设备维修工人对设备故障的应对能力及相应的计算方法,突显了泊松分布在生物信息学及统计分析中的重要性。同时,文章结合实例,提供了解题思路及结论,强调了泊松分布在保证设备及时维修中的实际意义。

怜星夜思:

1、在实际应用中,如何判断使用泊松分布是否合适?
2、除了设备故障外,泊松分布在其他领域有哪些典型应用?
3、在计算泊松分布概率时,如何选择合适的λ?

原文内容

来源:医学统计园

本文共1000字,建议阅读5分钟

本文为你介绍泊松分布的实际应用。

泊松分布,是以18~19 世纪的法国数学家西莫恩·德尼·泊松(Siméon-Denis Poisson)命名的,他在1838年时发表。这个分布在更早些时候由贝努里家族的一个人描述过,是一种统计与概率学里常见的离散型概率分布。为什么从泊松分布开始讲起呢?

  1.  泊松分布简单、容易理解,它的分布律函数只有1个参数:λ。分布律函数或概率密度函数是通过二项分布推导 (当n很大,p很小时,λ=np,二项分布可用泊松分布近似)。
  2. 在生物信息学分析中,在对RNAseq数据进行差异表达分析时,需要用到泊松分布模型。

对于以下柏松分布的应用题,我们这里给出解决方案。

泊松分布应用

3. 如果让3名维修工,负责80台设备,设备发生故障而不能及时维修的概率是多少呢?转换成数学语言就是:80台设备,同时坏了3台以上,由于只有3名维修工,在此种情况下,设备发生故障就会得不到及时维修,现在我们来计算在80台设备中3台以上设备同时发生故障的概率。

解答过程:

已知故障发生次数服从泊松分布,即 x~pois(λ),我们先来计算λ:

图片

则3台以上设备同时故障的概率为:

图片

答:3名维修工,负责80台设备(设备已知故障率为0.01),则不能及时维修的概率不到1%。

我们再来最后一套题,来结束泊松分布的介绍吧!

4. 如果要保证300台设备运行中,不及时维修率降低至1%,那么至少需要配备多少名维修工人呢?(300台设备,同时发生x台故障的概率为0.01,计算x,x即为最小配备的维修工人数目)

解答方法1,手动遍历:

结论:300台设备中,同时有8台设备故障的概率低于0.01,故而配备8名及以上维修工即可保证设备不及时维修率低于1%。

解答方法2,R语言遍历:

#在R语言中可以这样尝试遍历:

getLambda<-function(k,threshold){
res=list()

ks=lapply(k,
FUN=function(x){
m=1-dpois(x,3) #设备维修及时率
})
df=data.frame(
k=k,
ks=as.numeric(ks)
)

df1=df[df$ks>threshold,]
if(nrow(df1)>0){
res[[‘k’]]= df1[which.min(df1$k),‘k’]
res[[‘Probability’]]= df1[which.min(df1$k),‘ks’]
}else{
res=list()
}

return(res)
}

getLambda(c(1:10),0.99)

$k
8
$Probability
0.991898488205319


结论:8台设备同时发生的故障率低于1%,故而配备8名维修工即可。

泊松分布特点

1. 非0的正整数。
2. 偏态分布,只有一个参数:λ。

3. 均值 = 方差 = λ。

参考文章:

https://baike.baidu.com/item/泊松分布/1442110

https://zhuanlan.zhihu.com/p/493250197?utm_id=0

https://zh.wikipedia.org/wiki/西梅翁·德尼·泊松
编辑:黄继彦

泊松分布广泛应用于排队理论、电话进线数、交通流量等领域。例如,在商场、银行的排队分析中,可以用泊松分布来估算顾客到达的频率以及最大排队人数。

在医学领域,泊松分布也很常见,比如统计某种疾病每年新发病人数。如果分布是稀疏的,泊松分布可以为预测提供很好的模型。

我还听说过在网络安全领域,也会用泊松分布来分析每分钟的攻击尝试次数,这有助于设置合理的防护措施。

我觉得可以从大样本出发,进行数据统计,得出故障发生的长时间平均值,这样选择的λ会比较可靠。

可以考虑做些实验测试。在实际应用中,进行临时性的试验,观察事件发生次数,得出λ的值,然后进行相应的调整。

一般来说,当事件发生的次数在某一单位内比较稀少时,比如设备故障的次数,就可以考虑使用泊松分布。另一方面,如果事件发生是相对频繁的,或者分布没有遵循泊松特性,那可能就不适合了。

我认为可以参考事件的独立性。如果事件的出现是相互独立的且在一些固定的时间间隔内发生,那就适合用泊松分布。例如,网站每小时的访客流量就可以用泊松分布进行建模。

个人觉得在应用时不只是考量分布类型,还要看数据样本的大小。如果数据量太小,可用泊松分布,但计算结果的可靠程度可能会打折扣。