Loi de Poisson

La loi de Poisson modélise le nombre d'événements sur un intervalle (temps, surface, volume) lorsque ces événements sont rares, indépendants et se produisent à intensité constante . Elle apparaît comme limite de la binomiale et comme loi des sauts d'un processus de Poisson.

Caractéristiques

CaractéristiqueFormuleDescription
Notation

Parfois ou

Paramètre

Taux moyen (intensité) : nombre attendu d'événements sur l'intervalle considéré

SupportEntiers non négatifs, support dénombrable infini
Fonction de masse

Pour

Fonction de répartition

Également (gamma incomplète supérieure)

Fonction génératrice des momentsDérivées en 0 donnent les moments
Fonction caractéristiqueTransformée de Fourier de la loi
EspéranceÉgale au paramètre d'intensité
Variance

Équidispersion : moyenne = variance (propriété diagnostique)

Écart-type

Fluctuations relatives de l'ordre de

Mode

Deux modes et si est entier et

Médiane

ou

Approximation courante : pour grand

Asymétrie

Distribution asymétrique à droite ; tend vers 0 si

Kurtosis (excès)

Queues plus lourdes que la normale pour petit

Entropie de Shannon—Pas de formule close simple ; calcul numérique via la PMF
Information de FisherPour une observation ; décroît avec l'intensité
Divergence de Kullback-Leibler

Entre deux lois de Poisson de taux et

Propriétés et Théorèmes

Propriété / ThéorèmeFormuleDescription
Limite binomiale

Lien avec la binomiale en régime rare

Additivité

indép.

Les intensités s'additionnent sur des intervalles disjoints
Éclaircissement (thinning)

, chaque événement retenu avec prob.

Filtrage indépendant des événements ; base des modèles de sauts
Équidispersion

Si empiriquement : surdispersion (loi binomiale négative, etc.)

Approximation normale

Pour grand ; voir loi normale

Lien avec l'exponentielle

Nombre d'arrivées en dans un processus de Poisson de taux

Somme aléatoirePoisson composée ; modèle de pertes agrégées en assurance
Indépendance des comptages disjoints—

Les nombres d'événements sur des intervalles disjoints sont des Poisson indépendantes

Inégalité de ChernoffMajoration exponentielle des queues à droite

Applications

Arrivées et flux

Nombre d'ordres, de transactions ou de paquets réseau par minute/heure sous hypothèse de taux constant et d'indépendance.

Défauts et sinistres

Nombre de défauts sur un portefeuille très granulaire ou de sinistres en assurance non-vie (fréquence de base).

Physique et fiabilité

Désintégrations radioactives, pannes d'équipement rares, anomalies de production sur une chaîne.

Files d'attente et microstructure

Modélisation élémentaire des arrivées de liquidité ou des ticks ; extension vers processus de Poisson composé pour les sauts de prix.

Inférence Statistique

ConceptFormuleDescription
Échantillon

intervalles ou observations indépendantes

Somme suffisante

résume toute l'information sur

Estimateur du MLEMoyenne empirique ; sans biais, convergent, efficace
Variance de l'estimateur

Décroît en

Intervalle exact ()

IC exact pour à partir de la somme

Intervalle de Wald

Approximation normale ; acceptable si est grand

Test exact

p-value exacte sous

Test asymptotique

Alternative simple pour grand

Prior conjugué (bayésien)La loi gamma est conjuguée de la Poisson

Remarques importantes

  • L'équidispersion () est un premier diagnostic : un écart important suggère un modèle alternatif.

  • La surdispersion fréquente en finance et assurance motive la loi binomiale négative ou les modèles à effets aléatoires.

  • L'intervalle basé sur le est préférable à Wald pour petit ou modéré.

  • Comparer deux taux et sur deux échantillons revient à tester l'égalité de deux moyennes de Poisson.

Méthodes Computationnelles

MéthodeDescriptionApplications
Génération pseudo-aléatoire

Méthode d'inversion (Knuth) ou transformation à partir d'exponentielles

Simulations de flux, Monte Carlo
NumPy

np.random.poisson(lam) ou rng.poisson(lam, size=m)

réalisations indépendantes

SciPy

scipy.stats.poisson(mu) — PMF, CDF, ppf, rvs, moments

Probabilités exactes, quantiles, simulation
IC exact

scipy.stats.chi2.ppf avec la relation gamma-

Intervalles de confiance pour

Test de rapport de vraisemblance

Comparaison de modèles Poisson emboîtés (statsmodels GLM Poisson)

Régression de Poisson sur covariables
Diagnostic surdispersion

Déviance / ddl ; quasi-Poisson dans statsmodels

Détection d'un mauvais ajustement Poisson
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Références