伽玛分布(Gamma Distribution)是统计学的一种连续概率函数。Gamma分布中的参数α称为形状参数(shape parameter),β称为尺度参数(scale parameter)。

假设随机变量X为 等到第α件事发生所需之等候时间, 密度函数为

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang

伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_02

 

特征函数为

 

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_03

Gamma的可加性

编辑

当两随机变量服从Gamma分布,且单位时间内频率相同时,Gamma

数学表达式

若随机变量X具有概率密度

其中α>0,β>0,则称随机变量X服从参数α,β的伽马分布,记作G(α,β).

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_04

性质:

1、β=n,Γ(n,α)就是Erlang分布。Erlang分布常用于可靠性理论和排队论中 ,如一个复杂系统中从第 1 次故障到恰好再出现 n 次故障所需的时间;从某一艘船到达港口直到恰好有 n 只船到达所需的时间都服从 Erlang分布;

2、当α= 1 , β = 1/λ 时,Γ(1,1/λ) 就是参数为λ的指数分布,记为exp (λ) ;

3、当α =n/2 ,β=1/2时,Γ (n/2,1/2)就是数理统计中常用的χ2( n) 分布。

4、数学期望(均值)、方差分别为

对于Γ(a ,β ),E( X) =a/β,D ( X) =α / (β*β)

5、(Gamma 分布的可加性):设随机变量 X1 , X2 , …, Xn 相互独立,并且都服从Gamma 分布,即Xi ~Γ(αi , β),i =1 ,2 , …, n , 则:

X1 + X2 + …+ Xn ~ Γ(α1 +α2 + …+αn ,β )

 

 

 

其实你只要记住了Gamma function

伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_05


做积分变换

伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_06

,可得

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_07

,从而

伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_08


那么Gamma distribution 就很好记了。


并且伽马分布与一大坨分布有着暧昧的关系,比如:

Erlang distribution、Chi-squared distribution、Exponential distribution、Beta distribution、Normal distribution

最后来个分布族谱图:

伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_09


Gamma分布即为多个独立且相同分布(iid)的指数分布变量的和的分布。

(最新修改,希望能够行文布局更有逻辑)


——————泊松过程——————

指数分布泊松分布的关系十分密切,是统计学中应用极大的两种分布。

其中泊松过程是一个显著应用。


泊松过程是一个计数过程,通常用于模拟一个(非连续)事件在连续时间中发生的次数。

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_10

为一个泊松过程,则其满足三个性质:


伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_11

(t=0时什么都没发生)



伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_12

(增量)之间互相独立:

扩展补充:

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_13


伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_14

互相独立,且在计数过程中

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_15


伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_16


这是因为

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_17


伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_18


伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_19




伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_20



伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_21


根据增量独立性,易知其成立。


——————泊松→指数——————

假设

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_22

为第

伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_23

次事件与第

伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_24

次事件的间隔时间。

Pr(T_{1}>t)=Pr(N(t)=0)=e^{-\lambda t}


所以

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_26



Pr(T_{i}>t|T_{i-1}=s)=Pr(N(t+s)-N(s)=0)=e^{-\lambda t}


所以

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_28



即泊松过程的事件间隔时间为指数分布。


——————指数→Gamma—————

再令

伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_29

,即从头开始到第

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_30

次事件的发生的时间,该随机变量分布即为Gamma分布。


伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_31


Gamma分布即为多个独立且相同分布(iid)的指数分布变量的和的分布。


——————证明——————

假设

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_32

且互相独立


①Moment Generating Function(MGF):

MGF的定义为

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_33



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其性质为

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_35



下证:

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_36


伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_37



伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_38


为Gamma分布的MGF。

MGF:Moment-generating function

②数学归纳法:

已知

伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_39


所以当

伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_40

时成立。

假设

伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_41


伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_42

成立


伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_43

时,

伽马分布 python 伽马分布函数_伽马分布 python_44


其中

伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_45


伽马分布 python 伽马分布函数_Erlang_46


伽马分布 python 伽马分布函数_指数分布_47


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伽马分布 python 伽马分布函数_统计学_50


伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_51



伽马分布 python 伽马分布函数_特征函数_52

的pdf。证毕。


当然,Gamma分布与Beta,Chi-square分布也有着十分紧密的联系,不过在统计学应用中都不如与指数分布的联系来得重要。