Loi binomiale

La loi binomiale compte le nombre de succès obtenus en répétant fois un essai de Bernoulli de probabilité , les essais étant indépendants et identiquement distribués.

Caractéristiques

CaractéristiqueFormuleDescription
Notation

Parfois ou

Paramètres

essais ; probabilité de succès ;

Support

Tous les entiers entre 0 et

Fonction de masse

Pour ; coefficient binomial

Fonction de répartition

Également (fonction bêta régularisée)

Fonction génératrice des moments

Produit des FGM de Bernoulli i.i.d.

Fonction caractéristiqueTransformée de Fourier de la loi
Espérance

Nombre moyen de succès sur essais

Variance

Croît avec ; maximale en pour fixé

Écart-type

Échelle naturelle de fluctuation autour de

Mode

Deux modes adjacents si est entier

Médiane

ou

Toujours comprise entre ces deux valeurs
Asymétrie

Tend vers 0 lorsque (régime gaussien)

Kurtosis (excès)

Décroît en ; queues s'appauvrissent à grande échelle

Entropie de Shannon—Pas de formule close simple ; calcul numérique via la PMF
Information de Fisher

Pour le paramètre à partir d'une observation

Divergence de Kullback-Leibler

Même nombre d'essais ; se réduit à la divergence Bernoulli

Propriétés et Théorèmes

Propriété / ThéorèmeFormuleDescription
Somme de Bernoulli

Construction canonique à partir de la Bernoulli

Cas

La Bernoulli est le cas élémentaire

Additivité (même )

indép.

Stabilité par somme d'essais indépendants
Complément de succèsNombre d'échecs ; symétrie succès/échec
Moments factoriels

Pour ; utile pour variance et covariance

Approximation normale

Théorème de De Moivre-Laplace / TCL ; voir loi normale

Correction de continuité

Améliore l'approximation gaussienne pour modéré

Limite de Poisson

Régime d'événements rares ; voir Poisson

Inégalité de ChernoffMajoration exponentielle des queues ; utile en ML et finance
Échantillonnage sans remise—

Si les essais ne sont pas indépendants (urne finie), la loi est hypergéométrique, pas binomiale

Applications

Défauts et risque de crédit

Nombre de défauts sur crédits homogènes (PD commune) : modèle de base du risque de portefeuille sous indépendance.

Contrôle qualité et conformité

Nombre de pièces défectueuses dans un lot de taille , sous hypothèse de taux de défaut constant.

Taux de réussite et A/B testing

Nombre de conversions sur expositions ; comparaison de deux proportions entre cohortes.

Arbres binomiaux en finance

Modélisation multi-périodes de l'évolution d'un sous-jacent (Cox-Ross-Rubinstein) : chaque branche est une Bernoulli, le nombre de hausses suit une binomiale.

Inférence Statistique

ConceptFormuleDescription
Observation

, on observe succès

Équivalent à essais Bernoulli avec succès

Estimateur du MLE

Proportion empirique ; sans biais pour , estimateur naturel

Variance de l'estimateur

Même formule que pour Bernoulli observées

Test exact binomial

p-value exacte sous ; pas d'approximation normale requise

Test de proportion (Z)

Approximation asymptotique ; valide si et sont grands

Intervalle de Clopper-Pearson

IC exact au niveau pour

Intervalle de Wilson

Meilleur comportement que Wald pour proche de 0 ou 1

Prior conjugué (bayésien)

Loi a posteriori après succès sur essais

Remarques importantes

  • L'inférence sur à partir d'une binomiale observée coïncide avec celle de Bernoulli — voir aussi la page Bernoulli.

  • Le test exact est préférable pour petit ou extrême ; l'approximation normale simplifie les grands échantillons.

  • Comparer deux groupes ( vs ) relève du test de différence de proportions ou du d'indépendance.

  • Règle empirique : et avant d'utiliser l'approximation normale.

Méthodes Computationnelles

MéthodeDescriptionApplications
Génération pseudo-aléatoire

Somme de Bernoulli ou algorithme équivalent (inversion, BTPE)

Simulations de portefeuille, stress tests
NumPy

np.random.binomial(n, p) ou rng.binomial(n, p, size=m)

réalisations indépendantes de

SciPy

scipy.stats.binom(n, p) — PMF, CDF, ppf, rvs, moments

Probabilités exactes, quantiles, simulation
Test exactscipy.stats.binomtest(k, n, p)p-value exacte pour un test de proportion
Approximation normale

scipy.stats.norm.cdf avec correction de continuité

Probabilités cumulées pour grand

Intervalles de confiance

proportion_confint (statsmodels) — Wilson, Clopper-Pearson

Estimation robuste de

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Références

• Wikipedia, Binomial distribution : https://en.wikipedia.org/wiki/Binomial_distribution

• Voir aussi Bernoulli, Poisson et loi normale.