【分布族谱】正态分布和二项分布的关系

正态分布

正态分布，最早由棣莫弗在二项分布的渐近公式中得到，而真正奠定其地位的，应是高斯对测量误差的研究，故而又称Gauss分布。测量是人类定量认识自然界的基础，测量误差的普遍性，使得正态分布拥有广泛的应用场景，或许正因如此，正太分布在分布族谱图中居于核心的位置。

正态分布$N(\mu ,\sigma )$受到期望$\mu$和方差${\sigma }^2$的调控，其概率密度函数为

$$\frac{1}{\sqrt{2\pi {\sigma }^2}}\exp [-\frac{(x-\mu {)}^2}{2{\sigma }^2}]$$

当$\mu =0$而$\sigma =1$时，为标准正态分布$N(0,1)$，对应概率分布函数为$\Phi (x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\exp [-\frac{x^2}{2}]$，形状如下，

在scipy.stats中，分别封装了正态分布类norm和标准正态分布类halfnorm。

二项分布

二项分布是非常简单而又基础的一种离散分布，貌似是高中学到的第一个分布，就算不是第一个，也是第一批。在$N$次独立重复的伯努利试验中，设A在每次实验中发生的概率均为$p$。则$N$次试验后A发生$k$次的概率分布，就是二项分布，记作$X\sim B(n,p)$，则

P { X = k } = ( n k ) p k ( 1 − p ) n − k P\{X=k\}=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k} P{X=k}=(kn​)pk(1−p)n−k

其中$\left(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}\right)=\frac{n!}{k!(n-k)!}$，高中的写法一般是$C_n^k$。

记$q=1-p$，令$x_k=\frac{k-np}{\sqrt{npq}}$，当$n$趋近于无穷大时，根据De Moivre–Laplace定理，有

$$\underset{n\to \infty }{\lim }\frac{n!}{k!(n-k)!}{p}^k{q}^{n-k}\approx \frac{1}{\sqrt{2\pi npq}}{e}^{\frac{(k-np{)}^2}{2npq}}$$

即服从${\sigma }^2=npq,\mu =np$的高斯分布。

验证

下面通过scipy.stats对二项分布和高斯分布之间的关联进行验证

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import scipy.stats as ssp,q = 0.2, 0.8
ns = [10, 100, 1000, 10000]fig = plt.figure()
for i,n in enumerate(ns):rs = ss.binom(n, p).rvs(50000)rv = ss.norm(n*p, np.sqrt(n*p*q))st, ed = rv.interval(0.999)xs = np.linspace(st, ed, 100)ys = rv.pdf(xs)ax = fig.add_subplot(2,2,i+1)ax.hist(rs, density=True, bins='auto', alpha=0.2)ax.plot(xs, ys)plt.title(f"n={n}")plt.show()

效果如下，可见随着$n$越来越大，二项分布的随机数越来越靠近正态分布的概率密度曲线