ベータ二項分布

確率質量関数
ベータ二項分布の確率質量関数
累積分布関数
ベータ二項分布の累積確率分布関数
表記法
パラメータnN 0 — 試行回数実数実数

支持度x ∈ { 0, …, n  }
PMF

ベータ関数
CDF

ここで3 F 2 ( a ; b ; x )一般化超幾何関数
平均
分散
歪度
過剰尖度本文参照
MGF幾何関数
CF
PGF

確率論統計学においてベータ二項分布は、非負整数の有限台上の離散確率分布の族であり、一定または既知の回数のベルヌーイ試行における成功確率が未知またはランダムである場合に生じます。ベータ二項分布は、n回の試行における成功確率が固定ではなく、ベータ分布からランダムに抽出される二項分布です。ベイズ統計経験ベイズ法古典統計において、二項分布型データの過分散を捉えるために頻繁に使用されます

ベータ二項分布は、ディリクレ多項分布の1次元版です。二項分布とベータ分布は、それぞれ多項分布ディリクレ分布の1変量版です。αβが整数である特別な場合は、負の超幾何分布としても知られています

動機と導出

複合分布として

ベータ分布は二項分布共役分布です。この事実は、解析的に扱いやすい複合分布につながり、二項分布のパラメータはベータ分布からランダムに抽出されるものと考えることができます。将来の試行表が出る数を予測することに関心があるとします。これは次のように表されます 。

ベータ関数の特性を用いると、これは次のようにも表すことができます 。

壷モデルとして

ベータ二項分布は、 αβ正の整数である壷モデルポリア壷モデル)によっても説明できます。具体的には、 α 個の赤いボールとβ 個の黒いボールが入った壷があり、ランダムにボールが選ばれるとします。赤いボールが1つ見つかったら、赤いボール2つを壷に戻します。同様に、黒いボールが1つ見つかったら、黒いボール2つを壷に戻します。これをn回繰り返すと、 x 個の赤いボールが見つかる確率は、パラメータnα、  βを持つベータ二項分布に従います

対照的に、無作為抽出が単純置換(観測されたボール以外のボールが壷に追加されない)の場合、分布は二項分布に従い、無作為抽出が非置換で行われる場合、分布は超幾何分布に従います。

モーメントと特性

最初の3つの生のモーメント

尖度

ここで、平均は次のように表せることを示唆的に指摘しましょう。

分散

ここで、このパラメータ は「クラス内」または「クラスター内」相関として知られています。この正の相関が過分散を引き起こします。のとき、ベータ変動と二項変動を区別するための情報がなく、2つのモデルの分散が等しいことに注意してください。

因子モーメント

ベータ二項分布確率変数Xのr因子モーメントは

です。

点推定値

モーメント法

モーメント法による推定値は、ベータ二項分布の1次モーメントと2次モーメントに注目し、それらを標本モーメントとに等しく設定することで得られます

これらの推定値は無意味に負になる場合があり、これはデータが二項分布に対して分散していないか、分散が不足していることを示す証拠です。この場合、二項分布と超幾何分布がそれぞれ代替候補となります。

最尤推定

閉形式の最尤推定は、pdfが一般的な関数(ガンマ関数および/またはベータ関数)で構成されていることを考えると実用的ではありませんが、直接数値最適化によって簡単に見つけることができます。経験データからの最尤推定値は、多項式ポリア分布を近似するための一般的な方法を使用して計算できます。その方法は、(Minka 2003)で説明されています。RパッケージVGAMは、関数vglmを介して最尤法を介して、ベータ二項分布に従って分布する応答を持つglm型モデルの近似を容易にします。観測全体を通してn固定する必要はありません

例:性比の異質性

以下のデータは、19世紀のザクセン州の病院記録から抽出された6115世帯の13人家族の最初の12人の子供のうちの男児の数を示しています(Sokal and Rohlf、Lindseyの59ページ)。希望する性別に達した時点で家族がランダムに停止する影響を緩和するため、13人目の子供は無視されています。

0123456789101112
世帯324104286670103313431112829478181457

最初の2つのサンプルモーメントは

and therefore the method of moments estimates are

The maximum likelihood estimates can be found numerically

and the maximized log-likelihood is

from which we find the AIC

The AIC for the competing binomial model is AIC = 25070.34 and thus we see that the beta-binomial model provides a superior fit to the data ie there is evidence for overdispersion. Trivers and Willard postulate a theoretical justification for heterogeneity in gender-proneness among mammalian offspring.

The superior fit is evident especially among the tails

0123456789101112
Observed Families324104286670103313431112829478181457
Fitted Expected (Beta-Binomial)2.322.6104.8310.9655.71036.21257.91182.1853.6461.9177.943.85.2
Fitted Expected (Binomial p = 0.519215)0.912.171.8258.5628.11085.21367.31265.6854.2410.0132.826.12.3

Role in Bayesian statistics

ベータ二項分布は、データに基づいて推定したいベルヌーイ成功確率のベイズ推定において重要な役割を果たします。独立かつ同一分布のベルヌーイ確率変数サンプルをとしますベイズ流に、我々の知識は不確実であり、事前分布によってモデル化されていると仮定します。そして、複利計算によって事前予測分布

です。

観察後、事後分布

ここで は正規化定数です。事後分布はであると認識します

このように、再び複利計算により、将来の標本サイズ の確率変数 の合計の事後予測分布は

です。

確率変量の生成

ベータ二項確率変量を描画するには、単に を描画してから を描画します

  • ここで
  • ここでは離散一様分布です
  • ならば
  • ここでであり、は二項分布です
  • ここではポアソン分布です
  • ここでは幾何分布です
  • ここでは負の二項分布です

参照

参考文献

  • Minka, Thomas P. (2003). Estimating a Dirichlet distribution. Microsoft Technical Report.
  • ベータ二項分布を用いた生体認証デバイスの性能評価
  • Fastfitには、ベータ二項分布(2次元ポリア分布の形式)をデータにフィッティングするためのMatlabコードが含まれています。
  • インタラクティブグラフィック:単変量分布関係
  • VGAM Rパッケージのベータ二項関数
  • Sandia National Labs Cognitive Foundry Javaライブラリのベータ二項分布
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