ベルヌーイ分布は最もシンプルな非自明な確率変数だ:成功か失敗かのどちらかに終わる単一の二値試行。より複雑なすべての離散分布——二項分布・幾何分布・負の二項分布——は直接これの上に構築される。
定義
確率変数 X がパラメータ p∈[0,1] のベルヌーイ分布(Bernoulli distribution)に従うとき、X∼Bernoulli(p) と書き、X は 0 と 1 のみの値をとり
P(X=1)=p,P(X=0)=1−p
を満たす。値 1 は慣習上成功、0 は失敗と呼ばれる。単一パラメータ p は成功確率だ。
閉形式の PMF
二つの場合を一つの式にまとめると:
P(X=k)=pk(1−p)1−k,k∈{0,1}.
累積分布関数
累積分布関数(CDF:cumulative distribution function)は区分的に定数だ:
F(x):=P(X≤x)=⎩⎨⎧01−p1x<0,0≤x<1,x≥1.
平均
X の期待値は、離散確率変数の期待値の定義から直接求まる:
E[X]=0⋅P(X=0)+1⋅P(X=1)=0⋅(1−p)+1⋅p=p.
したがって E[X]=p:平均は成功確率そのものだ。
分散
Var(X)=E[X2]−(E[X])2 を計算するには、まず X∈{0,1} なので X2=X が成り立ち、E[X2]=E[X]=p となることに注目する。したがって
Var(X)=p−p2=p(1−p).
分散は p=21(最大の不確実性)で最大となり、p=0 または p=1(結果が確定)でゼロに崩壊する。
モーメント母関数
X のモーメント母関数(MGF:moment generating function)は
M(t):=E[etX]=et⋅0(1−p)+et⋅1p=(1−p)+pet.
このコンパクトな表現により、n 個の独立なコピーを掛け合わせることで二項分布の MGF を直接導出できる。
まとめ
- X∼Bernoulli(p) は成功確率 p∈[0,1] の単一の二値試行をモデル化する。
- PMF:P(X=k)=pk(1−p)1−k(k∈{0,1})。
- 平均:E[X]=p。
- 分散:Var(X)=p(1−p)、p=21 で最大。
- MGF:M(t)=(1−p)+pet。
- ベルヌーイ分布は二項分布・幾何分布・負の二項分布の原子的構成要素だ。