深入理解什么是Beta分布

article/2025/10/15 16:52:30

例一

Beta分布是一种描述概率的概率分布,这句话可能有些绕口,看一个例子:

以抛硬币为例,如果硬币是均匀的,并且正面朝上的概率记为p(p=0.5),那么每一次抛硬币都可以看做是一次伯努利实验,它服从0-1分布

如果我们把硬币抛了n次,并且想要计算,在这n次当中,硬币正面朝上的次数的概率,那么它应该是服从 X~B(n,p) ,即二项分布

二项分布可以看做是多次重复进行伯努利实验所得到的分布。

但是,如果假设我们事先并不知道硬币是否均匀,也就是说正面朝上的概率p是未知的,但显然 p 仍在[0,1] 区间之间,在这种情况下,比方说我们抛硬币10000次,其中正面朝上7000次,那么可以得到 p = 0.7,但是显然我们并不能肯定p就是0.7,如果我们再进行10000次抛硬币实验,可能正面朝上6000次,那么p就等于0.6了。那么,在多次重复进行二项分布的实验中,我们想要知道p的所有可能取值的概率,这就是一个Beta分布。(因为p就是描述正面朝上的概率,而Beta分布描述的是p的概率,因此称Beta分布可以看做是一个概率的概率分布)

正如二项分布可以看做是重复进行伯努利实验所得到的分布,Beta分布可以看做是重复进行二项分布所得到的分布。

通过例一,你可能已经对Beta分布有了一个直观的了解,接下来看例二。


例二

在进行例二之前,我们先引入Beta分布,一般来说,我们可以将Beta分布记为Beta(a,b),其中a是成功的次数,b是失败的次数。

同时,我们需要知道一些概念,在贝叶斯公式中,有:

在这里插入图片描述
这里的 θ 是未知参数,data是样本数据,P(θ|data)被称为后验分布,P(data|θ)被称为似然函数,P(θ) 被称为先验分布,作为分母的P(data)因为不涉及到θ,因此可以被视为常数,不去考虑。

暂时知道这些就可以了。

仍以抛硬币为例,假设现在是在进行一场比赛,以抛硬币得到正面朝上的次数最多的人获胜。现有甲、乙两个人参赛。

先验分布:

在比赛开始之前,我们假设对硬币朝上的概率一无所知,一无所知就意味着任何概率都是等可能的,Beta(1,1)可以表示这样的分布:
在这里插入图片描述

甲选手比较正直,他使用的可能是均匀的硬币,即得到正面或者反面的概率是一样的,我们可以用Beta(5,5)来表示这样的分布:
在这里插入图片描述
这里纵轴的值先不用去理会,我们看横轴,可以看到p=0.5的概率最大,因为甲选手使用的是均匀的硬币。

乙选手善于使诈,他可能使用了作弊的硬币,也就是说每抛一次硬币几乎都会得到正面朝上的结果,我们用Beta(5,1)来表示这样的分布:
在这里插入图片描述

后验分布:

用Beta分布来模拟硬币的先验分布后,通过贝叶斯估计,得到的后验分布依然是Beta分布。

我们假设甲乙两选手在比赛中各自抛了3次硬币,甲选手三次均得到正面朝上,用Beta分布来表示即:
在这里插入图片描述
可以看到图像的中心右移了,尽管作弊可能性有所增加,但总体还是公平参赛的可能性大。

乙选手抛掷三次硬币同样得到三次正面朝上,那么用Beta分布表示即:
在这里插入图片描述
右移的更加厉害,几乎已经可以确认乙选手作弊。

通过这个例子,相信你对Beta分布会有一个更加深刻的认知。


Beta分布的公式推导

在这里插入图片描述
关于伽马函数

关于Beta函数与伽马函数之间的关系式的那个推导:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

Beta分布的性质:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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共轭分布与共轭先验分布:
在这里插入图片描述
Beta分布是二项分布的共轭先验分布。

参考:

如何通俗理解 beta 分布? - 马同学的回答 - 知乎

暴力推导 Beta 函数与 Gamma 函数关系式


http://chatgpt.dhexx.cn/article/n2QSBamS.shtml

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