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Geometria analitica nello spazio, equazioni differenziali e distribuzione di Poisson · Distribuzione di Poisson

Distribuzione di Poisson e limite della binomiale

In una partita di Serie A si segnano in media circa 2,5 gol. Qual è la probabilità che una partita finisca 0 a 0? E quella che ci siano almeno 3 gol? Il numero di gol non ha un massimo evidente e non c'è un numero $n$ di «prove» da contare. Lo schema di Bernoulli non è quindi adatto. Serve un modello nuovo, quello di Poisson.

Eventi rari in un intervallo: la distribuzione di Poisson

Alcuni fenomeni sono conteggi di eventi che avvengono «a caso» nel tempo o nello spazio: le telefonate a un centralino, i clienti a uno sportello, i difetti su un rotolo di stoffa, i gol di una partita. Si osserva un intervallo fissato (10 minuti, un'ora, una partita) e si conta quante volte l'evento si verifica. Le ipotesi del modello sono queste:

  • gli eventi sono indipendenti tra loro;

  • il numero medio di eventi per intervallo è costante;

  • due eventi non avvengono nello stesso istante.

A differenza della binomiale, qui non c'è un massimo: $k$ può essere qualunque numero naturale. Le probabilità diventano però rapidamente molto piccole. La figura mostra il caso $\lambda=2$.

Istogramma della distribuzione di Poisson con lambda uguale a 2, per k da 0 a 6 0,135 0,271 0,271 0,180 0,090 0,036 0,012 0 1 2 3 4 5 6

Quando compare «almeno» o «più di», conviene passare all'evento contrario. Infatti la somma infinita $P(X\ge 1)=P(1)+P(2)+\dots$ non si può calcolare termine per termine.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Una variabile aleatoria $X$ segue una distribuzione di Poisson di parametro $\lambda = 2$. Calcola $P(X = 0)$ e $P(X = 3)$.

Una variabile aleatoria $X$ segue una distribuzione di Poisson di parametro $\lambda = 2$. Calcola $P(X = 0)$ e $P(X = 3)$.

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Esercitati★☆☆Da iniziare
Una variabile aleatoria $X$ segue una distribuzione di Poisson con $\lambda = 1,5$. Calcola $P(X \le 1)$.

Una variabile aleatoria $X$ segue una distribuzione di Poisson con $\lambda = 1,5$. Calcola $P(X \le 1)$.

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Valore atteso e varianza

Il parametro $\lambda$ è il numero medio di eventi, e questo coincide con il valore atteso. La proprietà più caratteristica della Poisson è che anche la varianza è uguale a $\lambda$.

Perché $E(X)=\lambda$? Nella somma $E(X)=\sum_{k\ge0}k\,e^{-\lambda}\dfrac{\lambda^k}{k!}$ il termine con $k=0$ è nullo. Per $k\ge1$ si ha $\dfrac{k}{k!}=\dfrac1{(k-1)!}$, quindi

$$E(X)=e^{-\lambda}\lambda\sum_{k\ge1}\frac{\lambda^{k-1}}{(k-1)!}=e^{-\lambda}\lambda\cdot e^{\lambda}=\lambda.$$

Nell'ultimo passaggio si usa lo sviluppo $e^{\lambda}=\sum_{j\ge0}\dfrac{\lambda^j}{j!}$. Questo sviluppo spiega anche perché la somma di tutte le probabilità vale 1: $\sum_k e^{-\lambda}\dfrac{\lambda^k}{k!}=e^{-\lambda}e^{\lambda}=1$.

Un rapporto utile

Il rapporto tra due probabilità consecutive è molto semplice:

$$\frac{P(X=k+1)}{P(X=k)}=\frac{e^{-\lambda}\lambda^{k+1}/(k+1)!}{e^{-\lambda}\lambda^k/k!}=\frac{\lambda}{k+1}.$$

Le probabilità crescono finché $\dfrac{\lambda}{k+1}>1$, cioè finché $k+1<\lambda$. Poi decrescono. Questo permette di trovare il valore di $k$ più probabile (la moda) senza calcolare tutte le probabilità. Con $\lambda=2{,}5$ il rapporto è maggiore di 1 solo per $k=0$ e $k=1$, quindi il massimo si ha per $k=2$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Una variabile aleatoria di Poisson ha parametro $\lambda = 4$. Indica valore atteso, varianza e deviazione standard.

Una variabile aleatoria di Poisson ha parametro $\lambda = 4$. Indica valore atteso, varianza e deviazione standard.

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Esercitati★★★Da iniziare
Sia $X$ di Poisson di parametro $\lambda$. a) Dimostra che $\sum_{k=0}^{\infty} P(X = k) = 1$. b) Dimostra che $E(X) = \lambda$. c) Dimostra che…

Sia $X$ di Poisson di parametro $\lambda$.

  1. a) Dimostra che $\sum_{k=0}^{\infty} P(X = k) = 1$.
  1. b) Dimostra che $E(X) = \lambda$.
  1. c) Dimostra che $\dfrac{P(X = k+1)}{P(X = k)} = \dfrac{\lambda}{k+1}$ e deduci per quale $k$ la probabilità è massima quando $\lambda = 4,7$.
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La Poisson come limite della binomiale

Da dove viene la formula? Consideriamo $n$ prove di Bernoulli con probabilità di successo $p$ molto piccola, e $n$ molto grande. Un esempio è il numero di viti difettose in una scatola grande. Il valore atteso $np=\lambda$ resta fisso, ma $n$ cresce e $p=\lambda/n$ diminuisce. Allora

$$P(X=k)=\binom nk\left(\frac{\lambda}{n}\right)^k\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{n-k}.$$

Scriviamo $\binom nk=\dfrac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!}$ e riordiniamo i fattori:

$$P(X=k)=\frac{\lambda^k}{k!}\cdot\underbrace{\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}}_{\to\,1}\cdot\underbrace{\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{n}}_{\to\,e^{-\lambda}}\cdot\underbrace{\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^{-k}}_{\to\,1}.$$

La prima frazione tende a 1, perché ha $k$ fattori del tipo $\dfrac{n-j}{n}\to1$. Il terzo tende a 1 perché $k$ è fisso. Il secondo è un limite notevole e tende a $e^{-\lambda}$. Quindi

$$\lim_{n\to+\infty}\binom nk p^k(1-p)^{n-k}=e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!}.$$

Il vantaggio è pratico. Calcolare $\binom{500}{k}$ è scomodo, mentre $e^{-\lambda}\lambda^k/k!$ si calcola subito.

Esercitati★★☆Da iniziare
Una fabbrica produce viti con probabilità di difetto $p = 0,004$. Una scatola contiene 500 viti. a) Calcola il valore atteso del numero di viti difettose. b) Approssima…

Una fabbrica produce viti con probabilità di difetto $p = 0,004$. Una scatola contiene 500 viti.

  1. a) Calcola il valore atteso del numero di viti difettose.
  1. b) Approssima con la distribuzione di Poisson la probabilità che ci siano al massimo 2 viti difettose.
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Esercitati★★★Da iniziare
Sia $X \sim B(n, p)$ con $np = \lambda$ fissato. Dimostra che, per $n \to +\infty$, $$P(X = k) \to e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!}$$ utilizzando $\binom{n}{k}$,…

Sia $X \sim B(n, p)$ con $np = \lambda$ fissato. Dimostra che, per $n \to +\infty$,

$$P(X = k) \to e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!}$$

utilizzando $\binom{n}{k}$, $p = \lambda/n$ e il limite notevole $\left(1 - \frac{\lambda}{n}\right)^n \to e^{-\lambda}$.

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Cambiare intervallo: il parametro si scala

Spesso il dato è un tasso riferito a un intervallo, mentre la domanda riguarda un intervallo diverso. Per esempio, a uno sportello arrivano in media 12 clienti all'ora e si vuole la probabilità relativa a 15 minuti. Il numero medio di eventi è proporzionale alla durata, quindi $\lambda$ si scala:

$$\lambda_{\text{nuovo}}=\lambda_{\text{dato}}\cdot\frac{\text{nuova durata}}{\text{durata data}}.$$

Nell'esempio, 15 minuti sono un quarto di ora, quindi $\lambda=12\cdot\frac14=3$.

Questo giustifica la scala: il conteggio su due intervalli consecutivi e indipendenti è la somma dei due conteggi. I parametri si sommano perché i valori attesi si sommano: $E(X+Y)=\lambda_1+\lambda_2$.

Esercitati★★☆Da iniziare
A uno sportello postale di Torino arrivano in media 3 clienti ogni 10 minuti. Assumendo un modello di Poisson, calcola la probabilità che in 10 minuti arrivino: a)…

A uno sportello postale di Torino arrivano in media 3 clienti ogni 10 minuti. Assumendo un modello di Poisson, calcola la probabilità che in 10 minuti arrivino:

  1. a) esattamente 2 clienti;
  1. b) almeno 1 cliente;
  1. c) più di 3 clienti.
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Esercitati★★☆Da iniziare
Un centralino riceve in media 6 chiamate all'ora. Calcola la probabilità che in 30 minuti non arrivi nessuna chiamata e la probabilità che ne arrivino almeno 2,…

Un centralino riceve in media 6 chiamate all'ora. Calcola la probabilità che in 30 minuti non arrivi nessuna chiamata e la probabilità che ne arrivino almeno 2, supponendo valido il modello di Poisson.

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Esercitati★★★Da iniziare
Un'azienda di Napoli riceve in media 2 reclami al giorno (modello di Poisson). Calcola la probabilità che in una settimana di 5 giorni lavorativi i reclami siano al più…

Un'azienda di Napoli riceve in media 2 reclami al giorno (modello di Poisson). Calcola la probabilità che in una settimana di 5 giorni lavorativi i reclami siano al più 8, giustificando perché il numero totale è ancora di Poisson. Determina poi il numero minimo $m$ tale che $P(X \le m) \ge 0,95$ nella settimana.

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Vuelve al principio: i gol di una partita

Con $\lambda=2{,}5$ abbiamo trovato $P(0\text{ gol})\approx0{,}082$, cioè circa l'8% di 0 a 0. Per «almeno 3 gol» si usa l'evento contrario: $P(X\ge3)=1-[P(0)+P(1)+P(2)]$, con $P(1)\approx0{,}205$ e $P(2)\approx0{,}257$. Si ottiene $1-0{,}544=0{,}456$, quindi quasi una partita su due.

In sintesi

  • La Poisson di parametro $\lambda$ conta gli eventi rari e indipendenti in un intervallo: $P(X=k)=e^{-\lambda}\dfrac{\lambda^k}{k!}$, con $k=0,1,2,\dots$

  • $E(X)=\lambda$, $\operatorname{Var}(X)=\lambda$, $\sigma=\sqrt{\lambda}$.

  • Le probabilità consecutive hanno rapporto $\dfrac{\lambda}{k+1}$: crescono finché $k+1<\lambda$.

  • Per $n$ grande e $p$ piccolo, $B(n,p)$ si approssima con Poisson di $\lambda=np$ (limite con $\left(1-\frac{\lambda}{n}\right)^n\to e^{-\lambda}$).

  • Il parametro si scala con la durata dell'intervallo, e la somma di Poisson indipendenti è di Poisson con $\lambda$ somma.

  • Per «almeno» e «più di», passa all'evento contrario.

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