Negative Binomialverteilung

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Die negative Binomialverteilung, auch bekannt als Pascal-Verteilung oder Pólya-Verteilung, gibt die Wahrscheinlichkeit von r-1 Erfolgen und x Misserfolgen in x+r-1 Versuchen an, sowie den Erfolg beim (x+r)ten Versuch. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ist also gegeben durch

P_(r,p)(x) = p)]
(1)
= p
(2)
= (x+r-1; r-1)p^r(1-p)^x,
(3)

wobei (n; k) ein Binomialkoeffizient ist. Die Verteilungsfunktion ist dann gegeben durch

D(x) = sum_(n=0)^(x)(n+r-1; r-1)p^r(1-p)^n
(4)
= 1-((1-p)^(x+1)p^rGamma(x+r+1)_2F^~_1(1,x+r+1;x+2;1-p))/(Gamma(r))
(5)
= I(p;r,x+1),
(6)

wobei Gamma(z) die Gammafunktion ist, _2F^~_1(a,b;c;z) ist eine regularisierte hypergeometrische Funktion, und I(z;a,b) ist eine regularisierte Beta-Funktion.

Die negative Binomialverteilung ist in der Wolfram Language als NegativeBinomialDistribution implementiert.

Definieren

P = (1-p)/p
(7)
Q = 1/p,
(8)

die charakteristische Funktion ist gegeben durch

phi(t)=(Q-Pe^(it))^(-r),
(9)

und die moment-erzeugende Funktion durch

M(t)=e^(tx)=sum_(x=0)^inftye^(tx)(x+r-1; r-1)p^r(1-p)^x.
(10)

Da (N; n)=(N; N-n),

M(t) = p^r^(-r)
(11)
M^'(t)'(t) = p^r(1-p)r^(-r-1)e^t
(12)
M^('')(t)'')(t) = (1-p)rp^r(1-e^t+pe^t)^(-r-2)×(-1-e^tr+e^tpr)e^t
(13)
M^(''')(t)''')(t) = (1-p)rp^r(1-e^t+e^tp)^(-r-3)×e^t.
(14)

Die Rohmomente mu_n^'=M^((n))(0)'=M^((n))(0) sind also

mu_1^'' = (rq)/p
(15)
mu_2^'' = (rq(1+rq))/(p^2)
(16)
mu_3^'' = (q)/(p^3)
(17)
mu_4^'' = (q)/(p^4),
(18)

wo

q=1-p
(19)

und (r)_n ist das Pochhammer Symbol. (Beachten Sie, dass Beyer 1987, S. 487, den Mittelwert offenbar falsch angibt.)

Dies ergibt die zentralen Momente als

mu_2 = (r(1-p))/(p^2)
(20)
mu_3 = (r(2-3p+p^2))/(p^3)=(r(p-1)(p-2))/(p^3)
(21)
mu_4 = (r(1-p)(6-6p+p^2+3r-3pr))/(p^4).
(22)

Der Mittelwert, die Varianz, Schiefe und Kurtosisüberschuss sind dann

mu = (rq)/p
(23)
sigma^2 = (rq)/(p^2)
(24)
gamma_1 = (2-p)/(sqrt(rq))
(25)
gamma_2 = (p^2-6p+6)/(rq),
(26)

Was auch geschrieben werden kann

mu = nP
(27)
sigma^2 = nPQ
(28)
gamma_1 = (Q+P)/(sqrt(rPQ))
(29)
gamma_2 = (1+6PQ)/(rPQ)-3.
(30)

Der erste Kumulant ist

kappa_1=nP,
(31)

und die nachfolgenden Kumulanten sind gegeben durch die Rekursionsbeziehung

kappa_(r+1)=PQ(dkappa_r)/(dQ).
(32)

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