二项分布(下)

1 高尔顿钉板

弗朗西斯·高尔顿爵士(Sir Francis Galton, 1822-1911)是英国一位博学多才的学者,进化论奠基人查尔斯·达尔文的表弟,如图 1 所示。他设计了一种名为 高尔顿钉板 (Galton Board)的巧妙装置,如图 2 所示。

图 1 弗朗西斯·高尔顿(1822—1911)

图 2 高尔顿钉板

高尔顿钉板可以展示的形成过程,其工作原理如图 3 所示:

  • 小球从装置顶端下落,撞到钉子会随机向左或向右偏转。这一过程类似于掷硬币时随机出现正面或反面,可以用来描述
  • 小球在下落过程中会多次碰撞钉子,直至落入装置底部的收集槽。由于始终向同一方向偏转(类似于连续抛掷出正面或反面)的概率较低,小球更容易落入中部区域而非两侧
  • 大量小球碰撞钉子后在收集槽中堆积,形成近似的图像(对应上节二项分布的图像中的情况)

图 3 高尔顿钉板的工作原理

下面是高尔顿钉板的工作动画。

高尔顿钉板还带来重要启发:事件的发展通常受到多种随机因素影响。这些因素如同钉板上的钉子,不断改变事件的发展轨迹,最终导致不确定的结果。因此,可以描述很多随机现象,且是更复杂的构成基础。

练习题 在人群中普查某疾病需抽查个人的血样。除传统的逐人检验(每人血样分别检验,共需化验次)外,还可考虑分组检验方案:如图 4 所示,将个人分为一组,混合同组血样进行检验,
  • 若混合血样呈阴性,说明这个人均无此疾病本例不考虑假阴性,即测出阴性但实际患病的情况,该组只需化验
  • 若混合血样呈阳性,需再对这个人分别化验,该组总共需要化验

图 4 分组检验方案

设该疾病的患病率为,且各人患病相互独立,试问分组检验方案是否可能减少平均检验次数?

可能 不可能 表示“每组的阳性人数”,由题意可知其服从参数为的二项分布,即。又设表示“每组的检验次数”,其可能取值为,具体取决于混检结果:

因此,(混检为阴性,即无人被检测为阳性)的发生概率为(混检为阳性,即有人被检测为阳性)的发生概率为,所以为:

根据,可算出:

时,分组检验可减少平均检验次数。下面是时不同的值的计算结果:

可以看到,时人均检验次数最小,时人均检验次数大于1(意味着分组检验没有减少平均检验次数)。这种方法正是美国二战期间大量征兵时对新兵验血所采用的减少工作量的措施。

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