本文從最基礎(chǔ)的概率論到各種概率分布全面梳理了基本的概率知識與概念，這些概念可能會幫助我們了解機器學(xué)習(xí)或開拓視野。這些概念是數(shù)據(jù)科學(xué)的核心，并經(jīng)常出現(xiàn)在各種各樣的話題上。重溫基礎(chǔ)知識總是有益的，這樣我們就能發(fā)現(xiàn)以前并未理解的新知識。

一、簡介

在本系列文章中，我想探討一些統(tǒng)計學(xué)上的入門概念，這些概念可能會幫助我們了解機器學(xué)習(xí)或開拓視野。這些概念是數(shù)據(jù)科學(xué)的核心，并經(jīng)常出現(xiàn)在各種各樣的話題上。重溫基礎(chǔ)知識總是有益的，這樣我們就能發(fā)現(xiàn)以前并未理解的新知識，所以我們開始吧。

***部分將會介紹概率論基礎(chǔ)知識。

1. 概率

我們已經(jīng)擁有十分強大的數(shù)學(xué)工具了，為什么我們還需要學(xué)習(xí)概率論?我們用微積分來處理變化***小的函數(shù)，并計算它們的變化。我們使用代數(shù)來解方程，我們還有其他幾十個數(shù)學(xué)領(lǐng)域來幫助我們解決幾乎任何一種可以想到的難題。

難點在于我們都生活在一個混亂的世界中，多數(shù)情況下無法準(zhǔn)確地測量事物。當(dāng)我們研究真實世界的過程時，我們想了解許多影響實驗結(jié)果的隨機事件。不確定性無處不在，我們必須馴服它以滿足我們的需要。只有如此，概率論和統(tǒng)計學(xué)才會發(fā)揮作用。

如今，這些學(xué)科處于人工智能，粒子物理學(xué)，社會科學(xué)，生物信息學(xué)以及日常生活中的中心。

如果我們要談?wù)摻y(tǒng)計學(xué)，***先確定什么是概率。其實，這個問題沒有絕對的答案。我們接下來將闡述概率論的各種觀點。

2. 頻率

想象一下，我們有一枚硬幣，想驗證投擲后正反面朝上頻率是否相同。我們?nèi)绾谓鉀Q這一問題?我們試著進(jìn)行一些實驗，如果硬幣正面向上記錄 1，如果反面向上記錄 0。重復(fù)投擲 1000 次并記錄 0 和 1 的次數(shù)。在我們進(jìn)行了一些繁瑣的時間實驗后，我們得到了這些結(jié)果：600 個正面(1)和 400 反面(0)。如果我們計算過去正面和反面的頻率，我們將分別得到 60%和 40%。這些頻率可以被解釋為硬幣出現(xiàn)正面或者反面的概率。這被稱為頻率化的概率。

3. 條件概率

通常，我們想知道某些事件發(fā)生時其它事件也發(fā)生的概率。我們將事件 B 發(fā)生時事件 A 也發(fā)生的條件概率寫為 P(A | B)。以下雨為例：

• 打雷時下雨的概率有多大?
• 晴天時下雨的概率有多大?

從這個歐拉圖，我們可以看到 P(Rain | Thunder)= 1 ：當(dāng)我們看到雷聲時，總會下雨(當(dāng)然，這不完全正確，但是我們在這個例子中保證它成立)。

P(Rain | Sunny)是多少呢?直覺上這個概率很小，但是我們怎樣才能在數(shù)學(xué)上做出這個準(zhǔn)確的計算呢?條件概率定義為：

換句話說，我們用 Rain 且 Sunny 的概率除以 Sunny 的概率。

4. 相依事件與獨立事件

如果一個事件的概率不以任何方式影響另一個事件，則該事件被稱為獨立事件。以擲骰子且連續(xù)兩次擲得 2 的概率為例。這些事件是獨立的。我們可以這樣表述

但是為什么這個公式可行?首先，我們將***次投擲和第二次投擲的事件重命名為 A 和 B，以消除語義影響，然后將我們看到的兩次投擲的的聯(lián)合概率明確地重寫為兩次投擲的單獨概率乘積：

現(xiàn)在用 P(A)乘以 P(B)(沒有變化，可以取消)并重新回顧條件概率的定義：

如果我們從右到左閱讀上式，我們會發(fā)現(xiàn) P(A | B) = P(A)。這就意味著事件 A 獨立于事件 B!P(B)也是一樣，獨立事件的解釋就是這樣。

5. 貝葉斯概率論

貝葉斯可以作為一種理解概率的替代方法。頻率統(tǒng)計方法假設(shè)存在我們正在尋找的模型參數(shù)的一個***的具體組合。另一方面，貝葉斯以概率方式處理參數(shù)，并將其視為隨機變量。在貝葉斯統(tǒng)計中，每個參數(shù)都有自己的概率分布，它告訴我們給已有數(shù)據(jù)的參數(shù)有多種可能。數(shù)學(xué)上可以寫成

這一切都從一個允許我們基于先驗知識來計算條件概率的簡單的定理開始：

盡管貝葉斯定理很簡單，但它具有巨大的價值，廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至是貝葉斯統(tǒng)計學(xué)的特殊分支。有一個關(guān)于貝葉斯定理的非常棒的博客文章，如果你對貝葉斯的推導(dǎo)感興趣---這并不難。

6. 抽樣與統(tǒng)計

假設(shè)我們正在研究人類的身高分布，并渴望發(fā)表一篇令人興奮的科學(xué)論文。我們測量了街上一些陌生人的身高，因此我們的測量數(shù)據(jù)是獨立的。我們從真實人群中隨機選擇數(shù)據(jù)子集的過程稱為抽樣。統(tǒng)計是用來總結(jié)采樣值數(shù)據(jù)規(guī)律的函數(shù)。你可能見過的統(tǒng)計量是樣本均值：

另一個例子是樣本方差：

這個公式可以得出所有數(shù)據(jù)點偏離平均值的程度。

二、分布

什么是概率分布?這是一個定律，它以數(shù)學(xué)函數(shù)的形式告訴我們在一些實驗中不同可能結(jié)果的概率。對于每個函數(shù)，分布可能有一些參數(shù)來調(diào)整其行為。

當(dāng)我們計算硬幣投擲事件的相對頻率時，我們實際上計算了一個所謂經(jīng)驗概率分布。事實證明，世界上許多不確定的過程可以用概率分布來表述。例如，我們的硬幣結(jié)果是一個伯努利分布，如果我們想計算一個 n 次試驗后硬幣正面向上的概率，我們可以使用二項式分布。

引入一個類似于概率環(huán)境中的變量的概念會方便很多--隨機變量。每個隨機變量都具有一定的分布。隨機變量默認(rèn)用大寫字母表示，我們可以使用 ~ 符號指定一個分布賦給一個變量。

上式表示隨機變量 X 服從成功率(正面向上)為 0.6 的伯努利分布。

1. 連續(xù)和離散概率分布

概率分布可分為兩種：離散分布用于處理具有有限值的隨機變量，如投擲硬幣和伯努利分布的情形。離散分布是由所謂的概率質(zhì)量函數(shù)(PMF)定義的，連續(xù)分布用于處理連續(xù)的(理論上)有***數(shù)量的值的隨機變量。想想用聲音傳感器測量的速度和加速度。連續(xù)分布是由概率密度函數(shù)(PDF)定義的。

這兩種分布類型在數(shù)學(xué)處理上有所不同：通常連續(xù)分布使用積分 ∫ 而離散分布使用求和Σ。以期望值為例：

下面我們將詳細(xì)介紹各種常見的概率分布類型，正如上所說，概率分布可以分為離散型隨機變量分布和連續(xù)性隨機變量分布。離散型隨機變量分布常見的有伯努利分布(Bernoulli Distribution)、二項分布(Binomial Distribution)、泊松分布(Poisson Distribution)等，而常見的連續(xù)型隨機變量分布包括均勻分布(Uniform Distribution)、指數(shù)分布(Exponential Distribution)、正態(tài)分布等。

三、常見的數(shù)據(jù)類型

在解釋各種分布之前，我們先看看常見的數(shù)據(jù)類型有哪些，數(shù)據(jù)類型可分為離散型和連續(xù)型。

離散型數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)只能取特定的值，比如，當(dāng)你擲一個骰子的時候，可能的結(jié)果只有 1，2，3，4，5，6 而不會是 1.5 或者 2.45。

連續(xù)型數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可以在給定的范圍內(nèi)取任何值，給定的范圍可以是有限的或***的，比如一個女孩的體重或者身高，或者道路的長度。一個女孩的體重可以是 54 kgs，54.5 kgs，或 54.5436kgs。

四、分布的類型

1. 伯努利分布

最簡單的離散型隨機變量分布是伯努利分布，我們從這里開始討論。

一個伯努利分布只有兩個可能的結(jié)果，記作 1(成功)和 0(失敗)，只有單次伯努利試驗。設(shè)定一個具有伯努利分布的隨機變量 X，取值為 1 即成功的概率為 p，取值為 0 即失敗的概率為 q 或者 1-p。

若隨機變量 X 服從伯努利分布，則概率函數(shù)為：

成功和失敗的概率不一定要相等。比如當(dāng)我和一個運動員打架的時候，他的勝算應(yīng)該更大，在這時候，我的成功概率是 0.15，而失敗概率是 0.85。

下圖展示了我們的戰(zhàn)斗的伯努利分布。

如上圖所示，我的成功概率=0.15，失敗概率=0.85。期望值是指一個概率分布的平均值，對于隨機變量 X，對應(yīng)的期望值為：E(X) = 1*p + 0*(1-p) = p，而方差為 V(X) = E(X^2) – [E(X)]^2 = p – p^2 = p(1-p)

實際上還有很多關(guān)于伯努利分布的例子，比如明天是晴天還是雨天，這場比賽中某一隊輸還是贏，等等。

2. 二項分布

現(xiàn)在回到擲硬幣的案例中，當(dāng)擲完***次，我們可以再擲一次，也就是存在多個伯努利試驗。***次為正不代表以后也會為正。那么設(shè)一個隨機變量 X，它表示我們投擲為正面的次數(shù)。X 可能會取什么值呢?在投擲硬幣的總次數(shù)范圍內(nèi)可以是任何非負(fù)整數(shù)。

如果存在一組相同的隨機事件，即一組伯努利試驗，在上例中為連續(xù)擲硬幣多次。那么某隨機事件出現(xiàn)的次數(shù)即概率服從于二項分布，也稱為多重伯努利分布。

任何一次試驗都是互相獨立的，前一次試驗不會影響當(dāng)前試驗的結(jié)果。兩個結(jié)果概率相同的試驗重復(fù) n 次的試驗稱為多次伯努利試驗。二項分布的參數(shù)為 n 和 p，n 是試驗的總次數(shù)，p 是每一次試驗的成功概率。

根據(jù)以上所述，一個二項分布的性質(zhì)為：

• 每一次試驗都是獨立的;
• 只有兩個可能的結(jié)果;
• 進(jìn)行 n 次相同的試驗;
• 所有試驗中成功率都是相同的，失敗的概率也是相同的。

二項分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

成功概率和失敗概率不相等的二項分布看起來如下圖所示：

而成功概率和失敗概率相等的二項分布看起來如下圖所示：

二項分布的平均值表示為 µ = n*p，而方差可以表示為 Var(X) = n*p*q。

3. 泊松分布

如果你在一個呼叫中心工作，一天內(nèi)會接到多少次呼叫呢?多少次都可能!在呼叫中心一天能接到多少次呼叫可以用泊松分布建模。這里有幾個例子：

• 一天內(nèi)醫(yī)院接到的緊急呼叫次數(shù);
• 一天內(nèi)地方接到的偷竊事件報告次數(shù);
• 一小時內(nèi)光顧沙龍的人數(shù);
• 一個特定城市里報告的自殺人數(shù);
• 書的每一頁的印刷錯誤次數(shù)。

現(xiàn)在你可以按相同的方式構(gòu)造很多其它的例子。泊松分布適用于事件發(fā)生的時間和地點隨機分布的情況，其中我們只對事件的發(fā)生次數(shù)感興趣。泊松分布的主要特點為如下：

• 任何一個成功事件不能影響其它的成功事件;
• 經(jīng)過短時間間隔的成功概率必須等于經(jīng)過長時間間隔的成功概率;
• 時間間隔趨向于無窮小的時候，一個時間間隔內(nèi)的成功概率趨近零。

在泊松分布中定義的符號有：

• λ是事件的發(fā)生率;
• t 是事件間隔的長度;
• X 是在一個時間間隔內(nèi)的事件發(fā)生次數(shù)。

設(shè) X 是一個泊松隨機變量，那么 X 的概率分布稱為泊松分布。以µ表示一個時間間隔 t 內(nèi)平均事件發(fā)生的次數(shù)，則 µ=λ*t;

X 的概率分布函數(shù)為：

泊松分布的概率分布圖示如下，其中µ為泊松分布的參數(shù)：

下圖展示了均值增加時的分布曲線的變化情況：

如上所示，當(dāng)均值增加時，曲線向右移動。泊松分布的均值和方差為：

• 均值：E(X) = µ
• 方差： Var(X) = µ

4. 均勻分布

假設(shè)我們在從 a 到 b 的一段線段上等距地選擇一個區(qū)間的概率是相等的，那么概率在整個區(qū)間 [a,b] 上是均勻分布的，概率密度函數(shù)也不會隨著變量的更改而更改。均勻分布和伯努利分布不同，隨機變量的取值都是等概率的，因此概率密度就可以表達(dá)為區(qū)間長度分之一，如果我們?nèi)‰S機變量一半的可能值，那么其出現(xiàn)的概率就為 1/2。

假定隨機變量 X 服從均勻分布，那么概率密度函數(shù)為：

均勻分布曲線圖如下所示，其中概率密度曲線下面積為隨機變量發(fā)生的概率：

我們可以看到均勻分布的概率分布圖呈現(xiàn)為一個矩形，這也就是均勻分布又稱為矩形分布的原因。在均勻分布中，a 和 b 都為參數(shù)，也即隨機變量的取值范圍。

服從均勻分布的隨機變量 X 也有均值和方差，它的均值為 E(X) = (a+b)/2，方差為 V(X) = (b-a)^2/12

標(biāo)準(zhǔn)均勻分布的密度函數(shù)參數(shù) a 取值為 0，b 取值為 1，因此標(biāo)準(zhǔn)均勻分布的概率密度可以表示為：

5. 指數(shù)分布

現(xiàn)在我們再次考慮電話中心案例，那么電話間隔的分布是怎么樣的呢?這個分布可能就是指數(shù)分布，因為指數(shù)分布可以對電話的時間間隔進(jìn)行建模。其它案例可能還有地鐵到達(dá)時間的建模和空調(diào)設(shè)備周期等。

在深度學(xué)習(xí)中，我們經(jīng)常會需要一個在 x=0 處取得邊界點 (sharp point) 的分布。為了實現(xiàn)這一目的，我們可以使用指數(shù)分布(exponential distribution)：

指數(shù)分布使用指示函數(shù) (indicator function)1x≥0，以使當(dāng) x 取負(fù)值時的概率為零。

其中 λ >0 為概率密度函數(shù)的參數(shù)。隨機變量 X 服從于指數(shù)分布，則該變量的均值可表示為 E(X) = 1/λ、方差可以表示為 Var(X) = (1/λ)^2。如下圖所示，若λ較大，則指數(shù)分布的曲線下降地更大，若λ較小，則曲線越平坦。如下圖所示：

以下是由指數(shù)分布函數(shù)推導(dǎo)而出的簡單表達(dá)式：

• P{X≤x} = 1 – exp(-λx)，對應(yīng)小于 x 的密度函數(shù)曲線下面積。
• P{X>x} = exp(-λx)，代表大于 x 的概率密度函數(shù)曲線下面積。

P{x1<X≤ x2} =exp(-λx1)-exp(-λx2)，代表 x1 點和 x2 點之間的概率密度函數(shù)曲線下面積。

6. 正態(tài)分布(高斯分布)

實數(shù)上最常用的分布就是正態(tài)分布(normal distribution)，也稱為高斯分布(Gaussian distribution)。因為該分布的普遍性，尤其是中心極限定理的推廣，一般疊加很多較小的隨機變量都可以擬合為正態(tài)分布。正態(tài)分布主要有以下幾個特點：

• 所有的變量服從同一均值、方差和分布模式。
• 分布曲線為鐘型，并且沿 x=μ對稱。
• 曲線下面積的和為 1。
• 該分布左半邊的精確值等于右半邊。

正態(tài)分布和伯努利分布有很大的不同，然而當(dāng)伯努利試驗的次數(shù)接近于無窮大時，他們的分布函數(shù)基本上是相等的。

若隨機變量 X 服從于正態(tài)分布，那么 X 的概率密度可以表示為：

隨機變量 X 的均值可表示為 E(X) = µ、方差可以表示為 Var(X) = σ^2。其中均值µ和標(biāo)準(zhǔn)差σ為高斯分布的參數(shù)。

隨機變量 X 服從于正態(tài)分布 N (µ, σ)，可以表示為：

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布可以定義為均值為 0、方差為 1 的分布函數(shù)，以下展示了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)和分布圖：

五、分布之間的關(guān)系

1. 伯努利分布和二項分布的關(guān)系

• 二項分布是伯努利分布的單次試驗的特例，即單詞伯努利試驗;
• 二項分布和伯努利分布的每次試驗都只有兩個可能的結(jié)果;
• 二項分布每次試驗都是互相獨立的，每一次試驗都可以看作一個伯努利分布。

2. 泊松分布和二項分布的關(guān)系

以下條件下，泊松分布是二項分布的極限形式：

• 試驗次數(shù)非常大或者趨近無窮，即 n → ∞;
• 每次試驗的成功概率相同且趨近零，即 p →0;
• np =λ 是有限值。

3. 正態(tài)分布和二項分布的關(guān)系 & 正態(tài)分布和泊松分布的關(guān)系

以下條件下，正態(tài)分布是二項分布的一種極限形式：

• 試驗次數(shù)非常大或者趨近無窮，即 n → ∞;
• p 和 q 都不是無窮小。

參數(shù) λ →∞的時候，正態(tài)分布是泊松分布的極限形式。

4. 指數(shù)分布和泊松分布的關(guān)系

如果隨機事件的時間間隔服從參數(shù)為 λ的指數(shù)分布，那么在時間周期 t 內(nèi)事件發(fā)生的總次數(shù)服從泊松分布，相應(yīng)的參數(shù)為 λt。

5. 測試

讀者可以完成以下簡單的測試，檢查自己對上述概率分布的理解程度：

(1) 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機變量計算公式為：

a. (x+µ) / σ

b. (x-µ) / σ

c. (x-σ) / µ

(2) 在伯努利分布中，計算標(biāo)準(zhǔn)差的公式為：

a. p (1 – p)

b. SQRT(p(p – 1))

c. SQRT(p(1 – p))

(3) 對于正態(tài)分布，均值增大意味著：

a. 曲線向左移

b. 曲線向右移

c. 曲線變平坦

(4) 假定電池的生命周期服從 λ = 0.05 指數(shù)分布，那么電池的最終使用壽命在 10 小時到 15 小時之間的概率為：

a.0.1341

b.0.1540

c.0.0079

結(jié)語

在本文中，我們從最基本的隨機事件及其概念出發(fā)討論對概率的理解。隨后我們討論了最基本的概率計算方法與概念，比如條件概率和貝葉斯概率等等。文中還討論了隨機變量的獨立性和條件獨立性。此外，本文更是詳細(xì)介紹了概率分布，包括離散型隨機變量分布和連續(xù)型隨機變量分布。本文主要討論了基本的概率定理與概念，其實這些內(nèi)容在我們大學(xué)的概率論與數(shù)理統(tǒng)計課程中基本上都有詳細(xì)的解釋。而對于機器學(xué)習(xí)來說，理解概率和統(tǒng)計學(xué)知識對理解機器學(xué)習(xí)模型十分重要，以它為基礎(chǔ)我們也能進(jìn)一步理解結(jié)構(gòu)化概率等新概念。

原文：

https://medium.com/towards-data-science/probabiliy-theory-basics-4ef523ae0820

https://www.analyticsvidhya.com/blog/2017/09/6-probability-distributions-data-science/

【本文是51CTO專欄機構(gòu)“機器之心”的原創(chuàng)譯文，微信公眾號“機器之心( id: almosthuman2014)”】

 

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