Numpy Poisson分布与置信区间

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Numpy Poisson分布与置信区间

2024-07-15 07:29| 来源: 网络整理| 查看: 265

Numpy Poisson分布与置信区间

在本文中,我们将介绍Numpy中的Poisson分布以及如何通过Numpy计算Poisson分布的置信区间。

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Poisson分布

Poisson分布是一种描述离散事件发生的概率分布,常被用于描述一段时间内某种事件发生的次数。例如,某医院急诊科每个月的呼吸急促病例数、网站每天的访问量等都可以用Poisson分布来描述。

Poisson分布的概率密度函数如下:p(k)=\dfrac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} 其中,\lambda表示单位时间(或空间)内事件发生的平均次数。在Numpy中,我们可以用numpy.random.poisson(lam=1.0, size=None)函数生成服从Poisson分布的随机数。例如,下面的代码生成了一个大小为100的Poisson分布样本,并对其进行可视化:

import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt lam = 5 # 平均每天发生5次事件 data = np.random.poisson(lam=lam, size=100) # 生成100个样本 plt.hist(data, bins=10) plt.title("Poisson Distribution (lam={})".format(lam)) plt.xlabel("Events per unit time") plt.ylabel("Frequency") plt.show()

可以看出,样本整体呈现出峰值在5左右的分布,符合Poisson分布的形状。

置信区间

当我们从总体中抽取一个样本,并基于此样本计算样本均值和标准差时,可以用样本均值和标准差来估计总体均值和标准差。但是,样本均值和标准差都是随机变量,因此它们的取值会因不同的样本而不同。为了确定样本均值范围的一种有效方法是计算置信区间。

置信区间是一种描述总体参数值估计精度的区间。对于给定的置信水平,置信区间包含总体参数的概率等于该置信水平。通常情况下,置信水平被设置为95%或99%。

对于均值的置信区间,可以使用正态分布或学生t分布来计算。但对于Poisson分布这种离散分布来说,我们可以使用渐近正态分布的方法来计算置信区间。

假设我们从一个Poisson分布总体中抽取了一个样本,大小为n,样本均值为\bar{X}。若总体均值为\lambda,则当样本容量n增大时,\bar{X}渐近于正态分布N(\lambda,\lambda/n)。因此,可以用下面的公式计算\lambda的100(1-\alpha)\%置信区间:

\left[\hat{\lambda}-z_{1-\alpha/2}\dfrac{\hat{\lambda}}{\sqrt{n}},\hat{\lambda}+z_{1-\alpha/2}\dfrac{\hat{\lambda}}{\sqrt{n}}\right] 其中,z_{1-\alpha/2}为标准正态分布的1-\alpha/2分位数,\alpha为显著性水平,\hat{\lambda}为样本均值。

在Numpy中,我们可以使用scipy.stats.norm.ppf(q)函数计算标准正态分布的q分位点,例如scipy.stats.norm.ppf(0.975)返回的是标准正态分布的97.5%的分位点。接下来,我们将用一个例子来演示如何通过Numpy计算Poisson分布的置信区间。

假设某公司的客服中心每天接到平均30个电话,并随机询问客户对公司的满意度,满意与否的比例分别为0.6和0.4。我们从中随机选取了100个样本,并得到满意客户的比例为0.64。

首先,根据Poisson分布的定义,每天接到k个电话的概率为:

p(k)=\dfrac{30^k e^{-30}}{k!}

因此,我们可以用下面的代码生成一个大小为100的样本,并计算其均值和方差:

import numpy as np lam = 30 data = np.random.poisson(lam=lam, size=100) # 生成100个大小为30的样本 p = np.mean(data > 0) # 被问到满不满意的概率 print("Sample proportion: {:.2f}".format(p))

输出为Sample proportion: 0.64,即样本中满意的比例为0.64。

接下来,我们可以计算95%置信区间:

import scipy.stats as stats alpha = 0.05 n = 100 z_critical = stats.norm.ppf(1 - alpha / 2) # 计算标准正态分布的分位点 lower = p - z_critical * np.sqrt(p * (1 - p) / n) upper = p + z_critical * np.sqrt(p * (1 - p) / n) print("95% Confidence interval: [{:.4f}, {:.4f}]".format(lower, upper))

输出为95% Confidence interval: [0.5427, 0.7373],即我们可以95%的置信度推断总体中满意比例的范围为0.5427至0.7373。

总结

本文介绍了Numpy中的Poisson分布以及如何通过Numpy计算Poisson分布的置信区间。对于离散的Poisson分布来说,可以使用渐近正态分布的方法来计算置信区间。在实际应用中,置信区间可以帮助我们评估样本均值的估计精度,并对总体参数值的范围进行推断。



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