Kvant
Khác

Phân phối Poisson phát sinh như thế nào?

Дубровский В. Н.

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

23

NÓ PHÁT SINH NHƯ THẾ NÀO
PHÂN PHỐI ĐỘC

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
V. N. DUVROVSKY

Mỗi khi có cơ hội, bạn có thể bắt gặp cơn mưa đầu hè, khi mặt đất vẫn khô ráo và chỉ ở đây mới có những vết đen hiếm hoi xuất hiện ngay từ những giọt đầu tiên. Những đốm này là mô hình gần như hoàn hảo của “các chấm rải rác ngẫu nhiên” được đề cập trong bài viết Phân phối Poisson. Hãy thử sử dụng mô hình trực quan này để xây dựng các giả thuyết toán học mô tả các điểm phân tán ngẫu nhiên và rút ra từ chúng:

*) Vô tình, chúng ta buộc phải làm mà không có định nghĩa về khái niệm xác suất - chẳng hạn, những ai muốn có thể tìm thấy nó trong cuốn sách của A. N. Kolmogorov, I. G. Zhurbenko, A. V. Prokorov “Giới thiệu về Lý thuyết Xác suất” (M., Nauka, 1978). Chúng tôi hy vọng rằng một lượng nhỏ ý thức chung sẽ đủ để hiểu bài viết.

rằng số điểm nằm trong một khu vực nhất định trong quá trình xác định thời gian tuân theo phân phối Poisson.

Gọi PkP_k là xác suất*) để kk giọt nước rơi xuống khu vực chúng ta đã chọn. Trước hết, rõ ràng rằng

  1. xác suất PkP_k chỉ được xác định bởi diện tích của khu vực này và không phụ thuộc vào hình dạng và vị trí của nó.

Do đó, chúng tôi sẽ tìm kiếm PkP_k như một hàm của diện tích trang web, tức là ở dạng Pk(s)P_k(s). Giả thuyết tự nhiên thứ hai là

  1. số giọt rơi trên một khu vực nhất định không phụ thuộc vào số giọt rơi trên bất kỳ khu vực nào khác không giao nhau với khu vực đầu tiên.

24

Nói cách khác, xác suất P0,P1,P2,…P_0, P_1, P_2, \dots đối với một khu vực nhất định không phụ thuộc chút nào vào số lượng giọt rơi ở khu vực khác. Biểu thức toán học của điều kiện độc lập là quy tắc nhân xác suất: xác suất xảy ra đồng thời của hai sự kiện độc lập bằng tích xác suất của chúng. Ví dụ: nếu SS và TT là hai phần rời nhau của P1(s)⋅P1(t)P_1(s) \cdot P_1(t). Tương tự, sự kiện “2 giọt rơi vào khu vực SS và TT” có xác suất là P2(s)⋅P0(t)+P1(s)⋅P1(t)+P0(s)⋅P2(t)P_2(s) \cdot P_0(t) + P_1(s) \cdot P_1(t) + P_0(s) \cdot P_2(t) (sự kiện này được chia thành ba: trên khu vực SS 2 giọt rơi và trên TT - không có; trên khu vực SS 1 giọt rơi và trên TT - 1 giọt; trên khu vực SS có 0 giọt và TT có 2 giọt; xác suất của nó bằng tổng xác suất của ba thành phần này). Chúng tôi nhấn mạnh rằng quy tắc nhân xác suất chưa được chứng minh - đây là một định nghĩa về tính độc lập, nhưng không khó để giải thích tại sao định nghĩa này được chấp nhận.

Một trong những nguyên tắc cơ bản của lý thuyết xác suất (luật số lớn) phát biểu rằng tần suất xảy ra một sự kiện trong một chuỗi thí nghiệm đủ dài sẽ tiệm cận đến xác suất của nó. Hãy để các sự kiện AA và BB được quan sát trong một loạt các thí nghiệm nn và sự kiện BB đã xảy ra mm lần và cả hai sự kiện xảy ra đồng thời kk lần; thì tần số m/nm/n của sự kiện BB gần bằng xác suất của nó P(B)P(B) và tần suất k/nk/n xảy ra đồng thời của sự kiện AA và BB là xác suất tương ứng P(AB)P(AB). Sự độc lập của các sự kiện AA và BB phải nằm ở chỗ thông tin về sự xuất hiện của sự kiện BB không thể ảnh hưởng đến xác suất xảy ra sự kiện AA. Do đó, tần suất của k/mk/m thí nghiệm trong đó sự kiện AA xảy ra, trong số những thí nghiệm trong đó sự kiện BB được ghi lại, phải giống như trong chuỗi tất cả các thí nghiệm nói chung: k/m≈P(A)k/m \approx P(A). Như vậy,

P(AB)≈kn=km⋅mn≈P(A)⋅P(B).P(AB) \approx \frac{k}{n} = \frac{k}{m} \cdot \frac{m}{n} \approx P(A) \cdot P(B).

Trong giới hạn (tại n→∞n \to \infty), các đẳng thức gần đúng này chuyển thành đẳng thức chính xác. Chúng tôi nhận được xác nhận rằng “quy tắc nhân xác suất” phản ánh chính xác ý tưởng trực quan của chúng tôi về tính độc lập của các sự kiện.

Tuy nhiên, chúng ta hãy quay trở lại với những hạt mưa. Giả thuyết thứ ba mô tả sự mất mát của họ như sau:

  1. xác suất P>1(h)P_{>1}(h) để ít nhất 2 giọt rơi trên một khu vực nhỏ hh là không đáng kể so với xác suất P1(h)P_1(h) để 1 giọt rơi trên khu vực nhỏ này, tức là P>1(h)/P1(h)→0P_{>1}(h)/P_1(h) \to 0 với h→0h \to 0.

Nói cách khác, giọt nước không rơi vào cùng một chỗ hai lần. Bây giờ các điều kiện đã được hình thành đầy đủ và bạn có thể bắt đầu nhận điều kiện tiếp theo.

Trước hết chúng ta hãy tìm P0(s)P_0(s). Diện tích khoảng cách s+ts+t và chia thành hai khu vực - diện tích ss và diện tích tt. Nếu phần lớn hơn (s+t)(s+t) vẫn khô thì không có giọt nào rơi xuống cả hai phần ss và tt của nó, và do điều kiện 2) sự độc lập của các phần đối với bất kỳ s,t⩾0s, t \geqslant 0 nào chúng ta thu được P0(s+t)=P0(s)P0(t)P_0(s+t) = P_0(s)P_0(t).

Từ phương trình này, chúng ta cần tìm hàm P0P_0, mà chúng ta biết thêm rằng 0⩽P0(s)⩽10 \leqslant P_0(s) \leqslant 1 và P0(s)−убывающаяфункция.Докажем,чтоP_0(s) - убывающая функция. Докажем, что P_0(s) = e^{-\lambda s}принекотором при некотором \lambda > 0.Пусть. Пусть f là hàm giảm thỏa mãn f(s+t)=f(s)⋅f(t)f(s+t) = f(s) \cdot f(t). Đối với mọi s>0s > 0 và mọi nn f(ns)=f(s+(n−1)s)=f(s)f((n−1)s)=⋯=(f(s))nf(ns) = f(s + (n-1)s) = f(s)f((n-1)s) = \dots = (f(s))^n tự nhiên.

Thay s=1ns = \frac{1}{n} ở đây và đặt f(1)=e−λf(1) = e^{-\lambda}, ta được f(1/n)=e−λ/nf(1/n) = e^{-\lambda/n}. Bây giờ chúng ta thay thế s=1/ms = 1/m và chúng ta nhận được f(n/m)=(f(1/m))n=e−λn/mf(n/m) = (f(1/m))^n = e^{-\lambda n/m}, tức là với bất kỳ số hữu tỉ s>0s > 0 nào chúng ta có f(s)=e−λsf(s) = e^{-\lambda s}. Bây giờ, thu được hàm đơn điệu f(s)f(s)

25

và e−λse^{-\lambda s}, dễ dàng chứng minh rằng đẳng thức cuối cùng đúng với mọi s>0s > 0.

Lưu ý rằng P0(h)≈1−λhP_0(h) \approx 1 - \lambda h đối với hh nhỏ (ký hiệu u(h)≈v(h)u(h) \approx v(h) sẽ có nghĩa là (u(h)−v(h))/h→0(u(h) - v(h))/h \rightarrow 0 đối với h→0h \rightarrow 0). Thật vậy, tích của hàm e−λse^{-\lambda s} với s=0s = 0 bằng −λe−λh=−λ-\lambda e^{-\lambda h} = -\lambda, tức là (P0(h)−1)/h=(e−λh−1)/h→−λ(P_0(h) - 1)/h = (e^{-\lambda h} - 1)/h \rightarrow -\lambda với h→0h \rightarrow 0. Do đó, P1(h)+P>1(h)=1−P0(h)≈λhP_1(h) + P_{>1}(h) = 1 - P_0(h) \approx \lambda h đối với hh nhỏ. Và vì, theo điều kiện 3, P>1(h)P_{>1}(h) không đáng kể so với P1(h)P_1(h), đối với hh P1(h)≈λhP_1(h) \approx \lambda h nhỏ, Pk(h)≈0P_k(h) \approx 0 đối với k>1k > 1.

Bây giờ chúng ta có thể tạo các phương trình vi phân từ đó chúng ta sẽ tìm thấy Pk(s)P_k(s). Chúng ta hãy xem xét một biểu đồ có diện tích ss và thêm vào đó một biểu đồ có diện tích nhỏ hh. Lặp lại đạo hàm bằng nhau ở trên, chúng ta thu được

Pk(s+h)=Pk(s)P0(h)+Pk−1(s)P1(h)+(Pk−2(s)P2(h))+⋯+P0(s)Pk(h).P_k(s + h) = P_k(s)P_0(h) + P_{k-1}(s)P_1(h) + (P_{k-2}(s)P_2(h)) + \dots + P_0(s)P_k(h).

Vì P0(h)≈1−λhP_0(h) \approx 1 - \lambda h, P1(h)≈λhP_1(h) \approx \lambda h và toàn bộ biểu thức trong ngoặc đơn là không đáng kể so với hh,

Pk(s+h)≈Pk(s)(1−λh)+λhPk−1(s);P_k(s + h) \approx P_k(s) (1 - \lambda h) + \lambda hP_{k-1}(s);

kể từ đây,

Pk′(s)=lim⁡h→0Pk(s+h)−Pk(s)h=−λPk(s)+λPk−1(s),P_k'(s) = \lim_{h \rightarrow 0} \frac{P_k(s + h) - P_k(s)}{h} = -\lambda P_k(s) + \lambda P_{k-1}(s),

hoặc

Pk′(s)+λPk(s)=λPk−1(s),k=1,2,…P_k'(s) + \lambda P_k(s) = \lambda P_{k-1}(s), \quad k = 1, 2, \dots

Để giải phương trình này, hãy xét hàm fk(s)=Pk(s)eλsf_k(s) = P_k(s)e^{\lambda s}. Hãy cùng tìm sản phẩm của cô ấy nhé: fk′(s)=Pk′(s)eλs+λPk(s)eλsf_k'(s) = P_k'(s)e^{\lambda s} + \lambda P_k(s)e^{\lambda s}. Nhân phương trình (*) với eλse^{\lambda s}, ta thu được

fk′(s)=λfk−1(s),f_k'(s) = \lambda f_{k-1}(s),

với fk(0)=Pk(0)=0f_k(0) = P_k(0) = 0 tại k>1k > 1.

Bây giờ thật dễ dàng để tìm thấy tất cả các hàm fkf_k lần lượt: f1′(s)=λP0(s)eλs=λf_1'(s) = \lambda P_0(s)e^{\lambda s} = \lambda, do đó f1(s)=λsf_1(s) = \lambda s (chúng tôi đã dạy rằng f1(0)=0f_1(0) = 0); f2′(s)=λf1(s)=λ2sf_2'(s) = \lambda f_1(s) = \lambda^2 s, do đó f2(s)=λ2s2/2f_2(s) = \lambda^2 s^2/2, …, fk(s)=λksk/k!f_k(s) = \lambda^k s^k/k!. Và cuối cùng, chúng ta có thể viết ra biểu thức mong muốn

Pk(s)=(λs)kk!e−λs,P_k(s) = \frac{(\lambda s)^k}{k!}e^{-\lambda s},

hợp lệ cho tất cả k=0,1,2,…k = 0, 1, 2, \dots.

Hãy tóm tắt. Nếu các điểm trên mặt phẳng được chọn ngẫu nhiên sao cho thỏa điều kiện 1–3 thì số điểm rơi trên một diện tích có diện tích ss có phân bố Poisson với tham số λs\lambda s, trong đó λ>0\lambda > 0 là tham số đặc trưng cho mật độ trung bình của điểm (xem công thức (2) trong bài “Phân bố Poisson”).

Tất nhiên, mọi điều vừa nói có thể được chuyển gần như hoàn toàn sang trường hợp các điểm trong không gian hoặc trên một đường thẳng. Trường hợp sau đáng được đề cập đặc biệt vì nó xảy ra thường xuyên nhất trong thực tế. Trong trường hợp này, đường thẳng chứa các điểm đóng vai trò là trục thời gian và bản thân các điểm là thời điểm xuất hiện của một số tín hiệu ngẫu nhiên tuân theo các điều kiện tương tự như điều kiện 1-3. Các ví dụ tiêu chuẩn về “dòng tín hiệu” như vậy, được gọi là dòng đơn giản hoặc dòng Poissian trong lý thuyết xác suất, chẳng hạn, là các hạt phát ra từ chất phóng xạ và các cuộc gọi đến tổng đài điện thoại.

Chúng tôi mới chỉ đề cập đến một mặt của câu hỏi được đặt ra trong tiêu đề của bài viết. Với những độc giả khác, nếu anh ta tình cờ biết mọi thứ - lý thuyết về xác suất và các quá trình ngẫu nhiên.

Bạn đọc thân mến!

Trong tương lai, năm 1989, tạp chí «Kvant», như trước đây, sẽ chỉ được phân phối theo hình thức đăng ký. Bạn có thể đăng ký thuê bao hàng năm cho đến ngày 1 tháng 11 năm 1988. Việc đăng ký được chấp nhận mà không bị hạn chế tại các đại lý Soyuzpechat, bưu điện và bưu điện. Chỉ số tạp chí «Kvant» trong danh mục Soyuzpechat 70465.

26

Số liên bang của tạp chí của chúng tôi có sự góp mặt của ba nhiếp ảnh gia chụp các đường trượt tuyết. Những bức ảnh được chụp cùng lúc và các đường trượt tuyết nằm gần đó. Nhưng họ khác nhau nhiều lắm…
Chúng tôi mời độc giả suy nghĩ về điều gì giải thích cho sự đa dạng của các loại đường trượt tuyết như vậy.

Có lẽ tất cả những ai quan tâm đến vấn đề này đều nhận ra rằng không thể làm được nếu không có vật lý. Và vật lý luôn là vật lý, cả trong tháng Ba và tháng Tám. Vì vậy, hôm nay chúng ta tiếp tục cuộc trò chuyện về các đường trượt tuyết, khi tuyết ngày càng tan và tuyết mới vẫn còn ở rất xa.