【徹底解説】多項分布とは

zuka

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目次

多項分布

\begin{align}
f_{\mX}(\vx) &= \frac{n!}{x_1!\cdots x_K!}~p_1^{x_1}\cdots p_K^{x_K} \\[0.7em]
G_{\mX}(\vs) &= (p_1s_1 + \cdots + p_{K-1}s_{K-1} + p_K)^n \\[0.7em]
E[X_i] &= np_i \\[0.7em]
V[X_i] &= np_i(1-p_i)
\end{align}

二項分布を複数のカテゴリに拡張した分布を多項分布と呼びます。ただし,毎回の試行で各カテゴリーの発生確率を$p_1,\cdots,p_K$とし,これらは

\begin{align}
p_1+\cdots+p_K &= 1
\end{align}

を満たします。$K-1$個の確率が決まった時点であと$1$つの確率も決まってしまうため,自由に定められる確率変数は$X_1,\ldots, X_{K-1}$の$K-1$個になります。また,多項分布では実現値$x$と確率母関数の変数$s$も$K-1$個用意しなくてはなりません。簡単のため,確率質量関数と確率母関数は,以下の長さ$K$のベクトルを用いて表します。

\begin{align}
\mX &= [ X_1, \ldots, X_K ] \\[0.7em]
\vx &= [x_1, \ldots, x_K] \\[0.7em]
\vs &= [s_1, \ldots, s_K]
\end{align}

ただし,自由度は$K-1$であることに注意してください。多項分布に従う確率変数$X_k$に対し,実現値は

\begin{align}
x_k \in \{0, \ldots, n\}
\end{align}

であり,確率母関数の変数は$|s_k|\leq 1$とします。多項分布は再生性を持たず,ロードマップ中では二項分布の多変量拡張に相当します。

確率密度関数

二項分布を複数のカテゴリに拡張した分布が多項分布です。多項分布の確率密度関数は直感的に導くことが可能です。カテゴリ$i$が$x_i$回独立に起こるとすれば,考えられる組み合わせは$n!$で,全事象は$x_1!\cdots x_K!$です。確率部分は$p_1^{x_1}\cdots p_K^{x_K}$となり,たしかに以下のように確率密度関数が求められます。

\begin{align}
f_{\mX}(\vx) &= \frac{n!}{x_1!\cdots x_K!}~p_1^{x_1}\cdots p_K^{x_K}
\end{align}

確率母関数

確率母関数の定義に従って計算していき,多項定理を利用します。注意するべきなのは,多項分布では

\begin{align}
x_1 + \cdots + x_K &= n
\end{align}

という条件があるため,対象とする確率変数は$x_1,\cdots, x_{K-1}$の$K-1$個になるという点です。$K-1$個の確率が決まった時点であと1つの確率も決まってしまうからです。また,今までは確率母関数の$s$は1つでしたが,多項分布では$K-1$個の$x$を考えるため,$s$も$K-1$個用意しなくてはなりません。

\begin{align}
G_{\mX}(\vs) &= E[s_1^{x_1}\cdots s_{K-1}^{x_{K-1}}] \\[0.7em]
&= \sum_{i=1}^{K} \frac{n!}{x_1!\cdots x_K!}~(p_1s_1)^{x_1}\cdots (p_{K-1}s_{K-1})^{x_{K-1}} (p_K)^{x_K} \label{1}\\[0.7em]
&= (p_1s_1 + \cdots + p_{K-1}s_{K-1} + p_K)^n \label{2}
\end{align}

ただし,式($\ref{1}$)から式($\ref{2}$)は多項定理を利用しました。

平均・分散

離散分布の平均と分散を求めるためには,確率母関数の性質を利用します。しかし,多項分布の平均と分散は二項分布の再生性を利用すると簡単に求められます。そのためには,まず多項分布の周辺分布が二項分布になることを示さなくてはなりません。

多項関数の確率母関数において,1つの変数$x_i$に着目して確率母関数を求めます。そのためには,$s_i$以外の$s$を全て1にセットすればOKです。すると,

\begin{align}
G_{\mX}(\vs) &= (p_1 + \cdots + p_is_i + \cdots + p_{K-1} + p_K)^n \\[0.7em]
&= (p_is_i + 1 - p_i)^n
\end{align}

となり,二項分布の確率母関数と一致します。したがって,多項分布におけるある1つの変数の周辺分布は二項分布になることが分かりました。ゆえに,$X=X_1+\cdots+X_{K-1}$として$X$が多項分布にしたがうとき,以下が成り立ちます。

\begin{align}
X_i \sim B(n, p_i) \\[0.7em]
X_j \sim B(n, p_j)
\end{align}

また,二項分布の再生性より,以下も成り立ちます。

\begin{align}
X_i + X_j \sim B(n, p_1 + p_j)
\end{align}

確率変数の性質より

\begin{align}
V[X_i + X_j]=V[X_i] + V[X_j] + 2\Cov[X_i, X_j]
\end{align}

が成り立つことに注意すると,$X_i$の期待値・分散,$X_i$と$X_j$の共分散は以下のように求められます。

\begin{align}
E[X_i] &= n p_i \\[0.7em]
V[X_i] &= n p_i (1 - p_i) \\[0.7em]
\Cov[X_i, X_j] &= \frac{V[X_i + X_j] - V[X_i] - V[X_j]}{2} \\[0.7em]
&= \frac{n (p_i + p_j)(1 - p_i - p_j) - n p_i (1 - p_i) - n p_j (1 - p_j)}{2} \\[0.7em]
&= -n p_i p_j
\end{align}

ただし,二項分布の平均と分散を利用しました。

再生性

再生性を示すためには,再生性を示したい分布に従う独立な二つの確率変数を考え,その和の確率母関数を計算したときに,パラメータが和の形になっていることを示します。しかし,確率母関数の形からも推測される通り,多項分布は再生性を持ちません。

ロードマップ

確率分布のロードマップ

さて,ロードマップに戻りましょう。 多項分布は二項分布を多変量に拡張したものでした。本ロードマップの拡張系に分類されるのは多項分布しかありませんので,覚えやすい位置付けになっています。以下の内容も参考になるでしょう。

参考文献

本稿の執筆にあたり参考にした文献は,以下でリストアップしております。

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