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excel指数函数-Excel之道-指数分布

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前面的前面讲到泊松分布,今天讲到指数分布,这两种分布都带有指数,经常容易混淆。其实,指数分布可以从泊松分布推导出来,是特殊情况下的泊松分布。


泊松分布常应用在日常生活中有固定频率的事件的概率分布,如某医院平均每小时出生3个婴儿、某公司平均每10分钟接到1个电话、公交站没15分钟发一趟公交车等等。它们的特点就是,我们可以预估这些事件的总数,但是没法知道具体的发生时间。已知平均每小时出生3个婴儿,请问下一个小时,会出生几个?



泊松分布概率密度函数公式


指数分布常用来代表上述事件的时间间隔的概率。如婴儿出生的时间间隔、来电时间的间隔、等公交的时间等等。


如果下一个婴儿要间隔时间 t ,即等同于 t 之内没有任何婴儿出生。因此,指数分布的公式可以从泊松分布推断出来。



当n=0时,泊松分布的概率密度函数公式,即时间t内有固定频率的事件发生次数为0的概率


反过来,事件在时间 t 之内发生的概率,就是1减去上面的值。即指数分布公式:



当n=0时,泊松分布在时间t内发生的概率


EXPON.DIST 函数(Excwl2013以下为EXPONDIST,用法参数相同)

返回指数分布。 使用 EXPON.DIST 可以建立事件之间的时间间隔模型,如银行自动提款机支付一次现金所花费的时间。例如,可通过 EXPON.DIST 来确定这一过程最长持续一分钟的发生概率。


EXPON.DIST(x,lambda,cumulative)


EXPON.DIST 函数语法具有下列参数:


  • X 必需。 函数值。


  • Lambda 必需。 参数值。


  • Cumulative 必需。 逻辑值,用于指定指数函数的形式。 如果 cumulative 为 TRUE,则 EXPON.DIST 返回累积分布函数;如果为 FALSE,则返回概率密度函数。


备注


  • 如果 x 或 lambda 为非数值型,则 EXPON.DIST 返回 错误值 #VALUE!。


  • 如果 x < 0,则 EXPON.DIST 返回 错误值 #NUM!。


  • 如果 lambda < 0,则 EXPON.DIST 返回 错误值 #NUM!。


  • 概率密度函数的公式为:



  • 指数分布概率密度函数公式


    累积分布函数的公式为:



指数累计分布函数公式


例子1:已知平均每小时出生3个婴儿,那么接下来15分钟,会有婴儿出生的概率是多少?15分钟到30分钟,会有婴儿出生的概率又是多少?


P(X<=0.25)=1-e^(-3*0.25)=0.5276



观测值x即为一段时间,为观测时间/固定频率时间;平均概率即固定频率;累计分布即该段时间的概率累计


P(0.25<=X<=0.5)=P(X<=0.5)-P(X<=0.25)=1-e^(-3*0.5)-(1-e^(-3*0.25))=e^(-0.75)-e^(-0.15)=0.2492




随着间隔时间变长,事件的发生(孩子不出生)的概率急剧下降,呈指数式衰减。


例子2:指数函数的一个重要特征是无记忆性(Memoryless Property,又称遗失记忆性)。这表示如果一个随机变量呈指数分布,当s,t>0时有P(T>t+s|T>t)=P(T>s)。即,如果T是某一元件的寿命,已知元件使用了t小时,它总共使用至少s+t小时的条件概率,与从开始使用时算起它使用至少s小时的概率相等。(对于一些高稳定性的元件较为实用,而易损耗的元件显然是矛盾的)。


“寿命”分布的方差非常大,以致于已经使用的时间是可以忽略不计的。


例如有一种电池标称可以充放电500次(平均寿命),但实际上,很多充放电次数数倍于500次的电池仍然在正常使用,也用很多电池没有使用几次就坏了——这是正常的,不是厂方欺骗你,是因为方差太大的缘故。随机取一节电池,求它还能继续使用300次的概率,我们认为与这节电池是否使用过与曾经使用过多少次是没有关系的。


有人戏称服从指数分布的随机变量是“永远年轻的”,一个60岁的老人与一个刚出生的婴儿,他们能够再活十年的概率是相等的,你相信吗?——如果人的寿命确实是服从指数分布的话,回答是肯定的。


实际上:指数函数的无记忆性来自于泊松过程k=0时的 时间指数性,而泊松过程k=0时的(上面婴儿实例提到)时间指数性来自于泊松分布时 lambda(lambda=n*p,通常n很大而p很小,n*p恒定)的恒定性,也就是离散情况下,二项分布的n*p的恒定性。


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