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De Moivre–Laplace theorem

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5153: 3106: 5148:{\displaystyle {\begin{aligned}{n \choose k}p^{k}q^{n-k}&\simeq {\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{\ln \left(\left({\frac {np}{k}}\right)^{k}\right)+\ln \left(\left({\frac {nq}{n-k}}\right)^{n-k}\right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-k\ln \left({\frac {k}{np}}\right)+(k-n)\ln \left({\frac {n-k}{nq}}\right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-k\ln \left({\frac {np+x{\sqrt {npq}}}{np}}\right)+(k-n)\ln \left({\frac {n-np-x{\sqrt {npq}}}{nq}}\right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-k\ln \left({1+x{\sqrt {\frac {q}{np}}}}\right)+(k-n)\ln \left({1-x{\sqrt {\frac {p}{nq}}}}\right)\right\}\qquad p+q=1\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-k\left({x{\sqrt {\frac {q}{np}}}}-{\frac {x^{2}q}{2np}}+\cdots \right)+(k-n)\left({-x{\sqrt {\frac {p}{nq}}}-{\frac {x^{2}p}{2nq}}}-\cdots \right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{\left(-np-x{\sqrt {npq}}\right)\left({x{\sqrt {\frac {q}{np}}}}-{\frac {x^{2}q}{2np}}+\cdots \right)+\left(np+x{\sqrt {npq}}-n\right)\left(-x{\sqrt {\frac {p}{nq}}}-{\frac {x^{2}p}{2nq}}-\cdots \right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{\left(-np-x{\sqrt {npq}}\right)\left(x{\sqrt {\frac {q}{np}}}-{\frac {x^{2}q}{2np}}+\cdots \right)-\left(nq-x{\sqrt {npq}}\right)\left(-x{\sqrt {\frac {p}{nq}}}-{\frac {x^{2}p}{2nq}}-\cdots \right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{\left(-x{\sqrt {npq}}+{\frac {1}{2}}x^{2}q-x^{2}q+\cdots \right)+\left(x{\sqrt {npq}}+{\frac {1}{2}}x^{2}p-x^{2}p-\cdots \right)\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-{\frac {1}{2}}x^{2}q-{\frac {1}{2}}x^{2}p-\cdots \right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-{\frac {1}{2}}x^{2}(p+q)-\cdots \right\}\\&\simeq {\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\exp \left\{-{\frac {1}{2}}x^{2}\right\}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}e^{\frac {-(k-np)^{2}}{2npq}}\\\end{aligned}}} 2620: 31: 2031: 1765: 2995: 2615:{\displaystyle {\begin{aligned}{n \choose k}p^{k}q^{n-k}&={\frac {n!}{k!(n-k)!}}p^{k}q^{n-k}\\&\simeq {\frac {n^{n}e^{-n}{\sqrt {2\pi n}}}{k^{k}e^{-k}{\sqrt {2\pi k}}(n-k)^{n-k}e^{-(n-k)}{\sqrt {2\pi (n-k)}}}}p^{k}q^{n-k}\\&={\sqrt {\frac {n}{2\pi k\left(n-k\right)}}}{\frac {n^{n}}{k^{k}\left(n-k\right)^{n-k}}}p^{k}q^{n-k}\\&={\sqrt {\frac {n}{2\pi k\left(n-k\right)}}}\left({\frac {np}{k}}\right)^{k}\left({\frac {nq}{n-k}}\right)^{n-k}\end{aligned}}} 1372: 2666: 1760:{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {f'\!(x)}{f\!(x)}}{\frac {npq}{np\!\,-\!\,k}}\!&={\frac {p\left(n,k+1\right)-p\left(n,k\right)}{p\left(n,k\right)}}{\frac {\sqrt {npq}}{-c}}\\&={\frac {np-k-q}{kq+q}}{\frac {\sqrt {npq}}{-c}}\\&={\frac {-c{\sqrt {npq}}-q}{npq+cq{\sqrt {npq}}+q}}{\frac {\sqrt {npq}}{-c}}\\&\to 1\end{aligned}}} 2990:{\displaystyle {\begin{aligned}{n \choose k}p^{k}q^{n-k}&\simeq {\sqrt {\frac {1}{2\pi n{\frac {k}{n}}\left(1-{\frac {k}{n}}\right)}}}\left({\frac {np}{k}}\right)^{k}\left({\frac {nq}{n-k}}\right)^{n-k}\\&\simeq {\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\left({\frac {np}{k}}\right)^{k}\left({\frac {nq}{n-k}}\right)^{n-k}\qquad p+q=1\\\end{aligned}}} 392:
It is a special case of the central limit theorem because a Bernoulli process can be thought of as the drawing of independent random variables from a bimodal discrete distribution with non-zero probability only for values 0 and 1. In this case, the binomial distribution models the number of successes
627: 1332: 3095: 2020: 5249:
But altho' the taking an infinite number of Experiments be not practicable, yet the preceding Conclusions may very well be applied to finite numbers, provided they be great, for Instance, if 3600 Experiments be taken, make
1057: 443: 705: 46:", shown here), given a sufficient number of trials (here the rows of pins, each of which causes a dropped "bean" to fall toward the left or right), a shape representing the probability distribution of 1120: 3111: 2671: 2036: 1377: 1918: 1188: 1218: 397:, the distribution of the sample means will be approximately normal. However, because in this case the fraction of successes (i.e., the number of 1s divided by the number of trials, 2658: 886: 1828: 1360: 755: 1230: 283: 1875: 1853: 727: 5176: 972: 1800: 952: 241: 3006: 929: 909: 835: 815: 795: 775: 363: 343: 323: 303: 210: 190: 164: 1945: 1126:
The binomial distribution limit approaches the normal if the binomial satisfies this DE. As the binomial is discrete the equation starts as a
75: 5182:
increases, in the same sense as in the original statement of the theorem—i.e., that the ratio of each pair of quantities approaches 1 as
1928:
The proof consists of transforming the left-hand side (in the statement of the theorem) to the right-hand side by three approximations.
980: 622:{\displaystyle {n \choose k}\,p^{k}q^{n-k}\simeq {\frac {1}{\sqrt {2\pi npq}}}\,e^{-{\frac {(k-np)^{2}}{2npq}}},\qquad p+q=1,\ p,q>0} 82:
coins a very large number of times and counting the number of "heads" that result each time. The possible number of heads on each toss,
5314: 5286: 5242: 647: 1062: 5262:
30, then the Probability of the Event's neither appearing oftner than 1830 times, nor more rarely than 1770, will be 0.682688.
5376: 217: 5371: 1880: 213: 1137: 5381: 430: 30: 90:
along the horizontal axis, while the vertical axis represents the relative frequency of occurrence of the outcome
1193: 405:, the distribution of the fractions of successes (described by the binomial distribution divided by the constant 143: 3000:
Finally, the expression is rewritten as an exponential and the Taylor Series approximation for ln(1+x) is used:
379: 166: 370: 2628: 843: 5195: 139: 131: 103: 35: 1932: 1327:{\displaystyle {\frac {f'\!(x)}{f\!(x)}}\!\cdot \!\left(-{\frac {\sigma ^{2}}{x-\mu }}\right)\!\to \!1} 1805: 1337: 732: 114:
grows large, the shape of the discrete distribution converges to the continuous Gaussian curve of the
378:, published in 1738. Although de Moivre did not use the term "Bernoulli trials", he wrote about the 777:
to the limiting normal density being 1. This can be shown for an arbitrary nonzero and finite point
54:
trials (see bottom of Fig. 7) matches approximately the Gaussian distribution with expectation
5274: 1127: 246: 135: 115: 1858: 1836: 710: 393:(i.e., the number of 1s), whereas the central limit theorem states that, given sufficiently large 5347: 123: 5234: 5228: 5310: 5282: 5238: 386: 375: 5161: 957: 5339: 5178:" in the above argument is a statement that two quantities are asymptotically equivalent as 1773: 632:
in the sense that the ratio of the left-hand side to the right-hand side converges to 1 as
5221: 3090:{\displaystyle \ln \left(1+x\right)\simeq x-{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{3}}-\cdots } 937: 169: 17: 223: 5302: 914: 894: 820: 800: 780: 760: 348: 328: 308: 288: 195: 175: 149: 39: 5365: 5351: 5330:
Thamattoor, Ajoy (2018). "Normal limit of the binomial via the discrete derivative".
1131: 2015:{\displaystyle n!\simeq n^{n}e^{-n}{\sqrt {2\pi n}}\qquad {\text{as }}n\to \infty .} 43: 5343: 74: 1224:. Hence the proof need show only that, for the unscaled binomial distribution, 5198:
an alternative approximation of the binomial distribution for large values of
1221: 2660:
is used to match the root above to the desired root on the right-hand side.
729:
a binomially distributed random variable, approaches the standard normal as
409:) and the distribution of the sample means (approximately normal with large 66:), assuming the trials are independent and successes occur with probability 382:
of the number of times "heads" appears when a coin is tossed 3600 times.
142:
under certain conditions. In particular, the theorem shows that the
1877:
is subject to a rounding error. However, the maximum of this error,
94:
heads. The height of each dot is thus the probability of observing
1052:{\displaystyle f'\!(x)\!=\!-\!\,{\frac {x-\mu }{\sigma ^{2}}}f(x)} 73: 29: 931:
stays 3 standard deviations from the mean in the unscaled curve.
27:
Convergence in distribution of binomial to normal distribution
146:
of the random number of "successes" observed in a series of
700:{\displaystyle \left(X\!\,-\!\,np\right)\!/\!{\sqrt {npq}}} 5307:
An Introduction to Probability Theory and Its Applications
1115:{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\!f(x)\,dx\!=\!1} 1130:
whose limit morphs to a DE. Difference equations use the
110:
trials). According to the de Moivre–Laplace theorem, as
5279:
Probability, Random Variables, and Stochastic Processes
1059:
with an initial condition set by the probability axiom
34:
Within a system whose bins are filled according to the
2633: 1884: 1862: 1840: 1197: 1141: 714: 644:
The theorem can be more rigorously stated as follows:
249: 5164: 3109: 3009: 2669: 2631: 2034: 1948: 1883: 1861: 1839: 1808: 1776: 1375: 1340: 1233: 1196: 1140: 1065: 983: 960: 940: 917: 897: 846: 823: 803: 783: 763: 735: 713: 650: 446: 351: 331: 311: 291: 226: 198: 178: 152: 1802:
dominates both the denominator and the numerator as
5170: 5147: 3089: 2989: 2652: 2614: 2014: 1912: 1869: 1847: 1822: 1794: 1759: 1354: 1326: 1212: 1182: 1114: 1051: 966: 946: 923: 903: 880: 829: 809: 789: 769: 749: 721: 699: 621: 413:due to the central limit theorem) are equivalent. 357: 337: 317: 297: 277: 235: 204: 184: 158: 3130: 3117: 2690: 2677: 2055: 2042: 1895: 1816: 1812: 1452: 1444: 1439: 1406: 1391: 1348: 1344: 1320: 1316: 1277: 1273: 1260: 1245: 1205: 1201: 1166: 1162: 1155: 1151: 1108: 1104: 1084: 1010: 1006: 1002: 992: 743: 739: 683: 677: 664: 659: 463: 450: 1913:{\displaystyle \textstyle {0.5}/\!{\sqrt {npq}}} 1183:{\displaystyle \textstyle p(k\!+\!1)\!-\!p(k)} 368:The theorem appeared in the second edition of 974:is defined by the differential equation (DE) 8: 5222:"De Moivre on the law of normal probability" 757:, with the ratio of the probability mass of 220:of the normal distribution with expectation 1366:The required result can be shown directly: 1213:{\displaystyle \textstyle n\!\to \!\infty } 5163: 5117: 5092: 5064: 5043: 5029: 4991: 4949: 4935: 4897: 4867: 4853: 4841: 4827: 4789: 4754: 4738: 4724: 4708: 4677: 4661: 4647: 4631: 4585: 4536: 4529: 4509: 4480: 4426: 4419: 4399: 4373: 4318: 4269: 4262: 4242: 4207: 4153: 4146: 4125: 4121: 4098: 4043: 3993: 3986: 3966: 3959: 3902: 3895: 3874: 3870: 3824: 3771: 3761: 3711: 3701: 3650: 3607: 3586: 3530: 3515: 3464: 3422: 3375: 3324: 3293: 3266: 3238: 3219: 3169: 3150: 3140: 3129: 3116: 3114: 3110: 3108: 3070: 3064: 3050: 3044: 3008: 2955: 2928: 2917: 2898: 2869: 2847: 2820: 2809: 2790: 2766: 2745: 2729: 2710: 2700: 2689: 2676: 2674: 2670: 2668: 2632: 2630: 2596: 2569: 2558: 2539: 2495: 2473: 2463: 2444: 2418: 2407: 2401: 2362: 2340: 2330: 2298: 2277: 2261: 2232: 2223: 2213: 2194: 2185: 2175: 2168: 2146: 2136: 2094: 2075: 2065: 2054: 2041: 2039: 2035: 2033: 1995: 1981: 1972: 1962: 1947: 1896: 1890: 1885: 1882: 1860: 1855:takes just integral values, the constant 1838: 1807: 1775: 1717: 1695: 1656: 1647: 1614: 1576: 1543: 1460: 1445: 1440: 1419: 1380: 1376: 1374: 1339: 1292: 1286: 1234: 1232: 1195: 1139: 1097: 1078: 1070: 1064: 1029: 1012: 1011: 982: 959: 939: 916: 896: 865: 845: 822: 802: 782: 762: 734: 712: 684: 678: 665: 660: 649: 554: 532: 528: 523: 499: 484: 474: 469: 462: 449: 447: 445: 385:This is one derivation of the particular 350: 330: 310: 290: 250: 248: 225: 197: 192:of success (a binomial distribution with 177: 151: 5212: 1939:can be replaced with the approximation 138:may be used as an approximation to the 1220:, the discrete derivative becomes the 5309:. Vol. 1. Wiley. Section VII.3. 5281:(4th ed.). Boston: McGraw-Hill. 7: 2653:{\displaystyle {\tfrac {k}{n}}\to p} 881:{\displaystyle k=np+c{\sqrt {npq}}} 3121: 2681: 2046: 2006: 1935:, the factorial of a large number 1817: 1349: 1206: 1079: 1074: 934:The normal distribution with mean 744: 454: 25: 5277:; Pillai, S. Unnikrishna (2002). 1190:, the change for step size 1. As 389:used in the normal distribution. 130:, which is a special case of the 5227:. In Smith, David Eugene (ed.). 1823:{\displaystyle n\!\to \!\infty } 1770:The last holds because the term 1355:{\displaystyle n\!\to \!\infty } 750:{\displaystyle n\!\to \!\infty } 5332:The College Mathematics Journal 3798: 2967: 1994: 582: 5114: 5098: 4967: 4955: 3951: 3939: 3748: 3736: 3573: 3561: 3409: 3397: 2644: 2318: 2306: 2293: 2281: 2258: 2245: 2123: 2111: 2003: 1813: 1747: 1413: 1407: 1398: 1392: 1345: 1317: 1267: 1261: 1252: 1246: 1202: 1176: 1170: 1159: 1145: 1094: 1088: 1046: 1040: 999: 993: 740: 551: 535: 278:{\textstyle {\sqrt {np(1-p)}}} 270: 258: 1: 5344:10.1080/07468342.2018.1440872 5230:A source book in mathematics 1870:{\displaystyle \textstyle c} 1848:{\displaystyle \textstyle k} 797:. On the unscaled curve for 722:{\displaystyle \textstyle X} 218:probability density function 5398: 172:, each having probability 78:Consider tossing a set of 144:probability mass function 128:de Moivre–Laplace theorem 18:De Moivre-Laplace theorem 5220:Walker, Helen M (1985). 2625:Next, the approximation 1920:, is a vanishing value. 817:, this would be a point 403:equal to the sample mean 380:probability distribution 5171:{\displaystyle \simeq } 967:{\displaystyle \sigma } 954:and standard deviation 371:The Doctrine of Chances 243:and standard deviation 5258:will be = 1800, and ½√ 5172: 5149: 3091: 2991: 2654: 2616: 2016: 1914: 1871: 1849: 1824: 1796: 1761: 1356: 1328: 1214: 1184: 1116: 1053: 968: 948: 925: 905: 882: 831: 811: 791: 771: 751: 723: 701: 623: 359: 339: 319: 305:grows large, assuming 299: 279: 237: 206: 186: 160: 119: 71: 5377:Central limit theorem 5196:Poisson limit theorem 5173: 5150: 3092: 2992: 2655: 2617: 2017: 1915: 1872: 1850: 1825: 1797: 1795:{\displaystyle -cnpq} 1762: 1357: 1329: 1222:continuous derivative 1215: 1185: 1117: 1054: 969: 949: 926: 906: 883: 832: 812: 792: 772: 752: 724: 702: 624: 360: 340: 320: 300: 280: 238: 207: 187: 161: 140:binomial distribution 132:central limit theorem 104:binomial distribution 77: 36:binomial distribution 33: 5275:Papoulis, Athanasios 5162: 3107: 3007: 2667: 2629: 2032: 1946: 1931:First, according to 1881: 1859: 1837: 1806: 1774: 1373: 1338: 1231: 1194: 1138: 1063: 981: 958: 947:{\displaystyle \mu } 938: 915: 895: 844: 821: 801: 781: 761: 733: 711: 648: 444: 349: 329: 309: 289: 247: 224: 196: 176: 150: 1132:discrete derivative 1128:difference equation 1083: 437:we can approximate 136:normal distribution 116:normal distribution 98:heads when tossing 5372:1738 introductions 5168: 5145: 5143: 3087: 2987: 2985: 2650: 2642: 2612: 2610: 2012: 1933:Stirling's formula 1910: 1909: 1867: 1866: 1845: 1844: 1820: 1792: 1757: 1755: 1352: 1324: 1210: 1209: 1180: 1179: 1112: 1066: 1049: 964: 944: 921: 901: 891:For example, with 878: 827: 807: 787: 767: 747: 719: 718: 697: 619: 355: 335: 315: 295: 275: 236:{\displaystyle np} 233: 202: 182: 156: 134:, states that the 124:probability theory 120: 72: 5382:Abraham de Moivre 5233:. Dover. p.  5138: 5086: 5085: 5037: 5013: 5012: 4943: 4919: 4918: 4861: 4835: 4811: 4810: 4732: 4719: 4655: 4642: 4607: 4606: 4557: 4524: 4523: 4491: 4447: 4414: 4413: 4384: 4340: 4339: 4290: 4257: 4256: 4218: 4174: 4140: 4139: 4109: 4065: 4064: 4014: 3981: 3980: 3923: 3889: 3888: 3846: 3845: 3786: 3785: 3726: 3725: 3672: 3671: 3629: 3618: 3552: 3541: 3486: 3485: 3443: 3388: 3346: 3345: 3287: 3232: 3191: 3190: 3128: 3079: 3059: 2949: 2911: 2891: 2890: 2841: 2803: 2783: 2782: 2774: 2753: 2688: 2641: 2590: 2552: 2532: 2531: 2457: 2399: 2398: 2324: 2321: 2243: 2205: 2130: 2053: 1998: 1992: 1924:Alternative proof 1907: 1738: 1729: 1715: 1706: 1667: 1635: 1626: 1612: 1564: 1555: 1541: 1450: 1417: 1309: 1271: 1035: 924:{\displaystyle k} 904:{\displaystyle c} 876: 830:{\displaystyle k} 810:{\displaystyle X} 790:{\displaystyle c} 770:{\displaystyle X} 695: 603: 575: 521: 520: 461: 425:grows large, for 387:Gaussian function 376:Abraham de Moivre 358:{\displaystyle 1} 338:{\displaystyle 0} 318:{\displaystyle p} 298:{\displaystyle n} 273: 205:{\displaystyle n} 185:{\displaystyle p} 159:{\displaystyle n} 86:, runs from 0 to 16:(Redirected from 5389: 5356: 5355: 5327: 5321: 5320: 5299: 5293: 5292: 5271: 5265: 5264: 5226: 5217: 5177: 5175: 5174: 5169: 5154: 5152: 5151: 5146: 5144: 5140: 5139: 5137: 5123: 5122: 5121: 5093: 5087: 5069: 5065: 5057: 5053: 5049: 5048: 5047: 5038: 5030: 5014: 4996: 4992: 4984: 4980: 4976: 4954: 4953: 4944: 4936: 4920: 4902: 4898: 4890: 4886: 4882: 4872: 4871: 4862: 4854: 4846: 4845: 4836: 4828: 4812: 4794: 4790: 4782: 4778: 4774: 4773: 4769: 4759: 4758: 4743: 4742: 4733: 4725: 4720: 4709: 4696: 4692: 4682: 4681: 4666: 4665: 4656: 4648: 4643: 4632: 4608: 4590: 4586: 4578: 4574: 4570: 4569: 4565: 4558: 4556: 4545: 4541: 4540: 4530: 4525: 4522: 4511: 4510: 4497: 4493: 4492: 4481: 4459: 4455: 4448: 4446: 4435: 4431: 4430: 4420: 4415: 4412: 4401: 4400: 4390: 4386: 4385: 4374: 4341: 4323: 4319: 4311: 4307: 4303: 4302: 4298: 4291: 4289: 4278: 4274: 4273: 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Index

De Moivre-Laplace theorem

binomial distribution
Galton's
bean machine

binomial distribution
normal distribution
probability theory
central limit theorem
normal distribution
binomial distribution
probability mass function
independent
Bernoulli trials
converges
probability density function
The Doctrine of Chances
Abraham de Moivre
probability distribution
Gaussian function
neighborhood
difference equation
discrete derivative
continuous derivative
Stirling's formula
Poisson limit theorem
"De Moivre on the law of normal probability"
A source book in mathematics
78

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