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正態分佈函式


NormalDistributionFunction

正態分佈累積分佈函式的標準化形式,表示變數取值在 [0,x] 範圍內的機率,

 Phi(x)=Q(x)=1/(sqrt(2pi))int_0^xe^(-t^2/2)dt.
(1)

它與機率積分有關

 alpha(x)=1/(sqrt(2pi))int_(-x)^xe^(-t^2/2)dt
(2)

透過

 Phi(x)=1/2alpha(x).
(3)

u=t/sqrt(2),則 du=dt/sqrt(2)。那麼

 Phi(x)=1/(sqrt(pi))int_0^(x/sqrt(2))e^(-u^2)du=1/2erf(x/(sqrt(2))).
(4)

這裡,erf 是一個有時稱為誤差函式的函式。正態變數取值在 [x_1,x_2] 範圍內的機率因此由下式給出

 Phi(x_1,x_2)=1/2[erf((x_2)/(sqrt(2)))-erf((x_1)/(sqrt(2)))].
(5)

Phi(z) 和 erf 都不能用有限的加法、減法、乘法和開方運算來表示,因此必須透過數值計算或近似計算。

注意,與 Phi(x) 不同的函式有時被定義為“正態”分佈函式

N(x)=1/(sqrt(2pi))int_(-infty)^xe^(-t^2/2)dt
(6)
=Phi(-infty,x)
(7)
=1/2+Phi(x)
(8)
=1/2[1+erf(x/(sqrt(2)))]
(9)

(Feller 1968; Beyer 1987, p. 551),儘管這個函式不如常用的 Phi(x) 常見。 符號 N(x) 源於 Feller (1971)。

對於給定的機率 P,使得 P(x) 落在區間 [-a,a] 內的 a 值是一個相關的量,稱為置信區間

對於小值 x<<1Phi(x) 的良好近似可以從 erf麥克勞林級數獲得,

 Phi(x)=1/(sqrt(2pi))(x-1/6x^3+1/(40)x^5-1/(336)x^7+1/(3456)x^9+...)
(10)

(OEIS A014481)。 對於大值 x>>1,一個好的近似可以從 erf 的漸近級數獲得,

 Phi(x)=1/2-(e^(-x^2/2))/(sqrt(2pi))(x^(-1)-x^(-3)+3x^(-5)-15x^(-7)+105x^(-9)+...)
(11)

(OEIS A001147)。

中間值 xPhi(x) 值可以使用連分數恆等式計算

 int_0^xe^(-u^2)du=(sqrt(pi))/2-(1/2e^(-x^2))/(x+1/(2x+2/(x+3/(2x+4/(x+...))))).
(12)

Phi(x) 的一個簡單近似,精確到兩位小數,由下式給出

 Phi_1(x) approx {0.1x(4.4-x)   for 0<=x<=2.2; 0.49   for 2.2<x<2.6; 0.50   for x>=2.6.
(13)

Abramowitz 和 Stegun (1972) 以及 Johnson 等人 (1994) 給出了其他函式近似。 Bagby (1995) 給出的一個近似是

 Phi_2(x)=1/2{1-1/(30)[7e^(-x^2/2)+16e^(-x^2(2-sqrt(2)))+(7+1/4pix^2)e^(-x^2)]}^(1/2).
(14)

下面的圖表顯示了 Phi 和兩個近似值之間的差異。

NormalDistributionFnApprox

給出 1/4t 值被稱為正態分佈變數的概然誤差


另請參閱

Berry-Esseen 定理, 置信區間, Erf, Erfc, Fisher-Behrens 問題, 高斯積分, Hh 函式, 正態分佈, Owen T 函式, 機率積分, 四分相關函式

使用 探索

參考文獻

Abramowitz, M. 和 Stegun, I. A. (編). 數學函式手冊,包含公式、圖表和數學表格,第 9 版。 紐約: Dover, pp. 931-933, 1972.Bagby, R. J. "計算正態機率." Amer. Math. Monthly 102, 46-49, 1995.Beyer, W. H. (編). CRC 標準數學表格,第 28 版。 Boca Raton, FL: CRC Press, 1987.Bryc, W. "右正態尾部積分的一致逼近." Math. Comput. 127, 365-374, 2002.Feller, W. 機率論及其應用導論,卷 1,第 3 版。 紐約: Wiley, 1968.Feller, W. 機率論及其應用導論,卷 2,第 3 版。 紐約: Wiley, p. 45, 1971.Hastings, C. 數字計算機近似。 Princeton, NJ: Princeton University Press, 1955.Johnson, N.; Kotz, S.; 和 Balakrishnan, N. 連續單變數分佈,卷 1,第 2 版。 Boston, MA: Houghton Mifflin, 1994.Patel, J. K. 和 Read, C. B. 正態分佈手冊。 紐約: Dekker, 1982.Sloane, N. J. A. 整數序列線上百科全書中的序列 A001147/M3002 和 A014481Whittaker, E. T. 和 Robinson, G. "正態頻率分佈." Ch. 8 in 觀測演算:數值數學專著,第 4 版。 紐約: Dover, pp. 164-208, 1967.

在 中引用

正態分佈函式

引用為

Weisstein, Eric W. "正態分佈函式。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/NormalDistributionFunction.html

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