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正态分布函数


NormalDistributionFunction

正态分布累积分布函数的标准化形式,表示变量取值在 [0,x] 范围内的概率,

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

它与概率积分有关

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

通过

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

u=t/sqrt(2),则 du=dt/sqrt(2)。那么

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

这里,erf 是一个有时称为误差函数的函数。正态变量取值在 [x_1,x_2] 范围内的概率因此由下式给出

 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、减法、乘法和开方运算来表示,因此必须通过数值计算或近似计算。

注意,与 Phi(x) 不同的函数有时被定义为“正态”分布函数

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),尽管这个函数不如常用的 Phi(x) 常见。 符号 N(x) 源于 Feller (1971)。

对于给定的概率 P,使得 P(x) 落在区间 [-a,a] 内的 a 值是一个相关的量,称为置信区间

对于小值 x<<1Phi(x) 的良好近似可以从 erf麦克劳林级数获得,

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

(OEIS A014481)。 对于大值 x>>1,一个好的近似可以从 erf 的渐近级数获得,

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

(OEIS A001147)。

中间值 xPhi(x) 值可以使用连分数恒等式计算

 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) 的一个简单近似,精确到两位小数,由下式给出

 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) 给出了其他函数近似。 Bagby (1995) 给出的一个近似是

 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)

下面的图表显示了 Phi 和两个近似值之间的差异。

NormalDistributionFnApprox

给出 1/4t 值被称为正态分布变量的概然误差


另请参阅

Berry-Esseen 定理, 置信区间, Erf, Erfc, Fisher-Behrens 问题, 高斯积分, Hh 函数, 正态分布, Owen T 函数, 概率积分, 四分相关函数

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参考文献

Abramowitz, M. 和 Stegun, I. A. (编). 数学函数手册,包含公式、图表和数学表格,第 9 版。 纽约: Dover, pp. 931-933, 1972.Bagby, R. J. "计算正态概率." Amer. Math. Monthly 102, 46-49, 1995.Beyer, W. H. (编). CRC 标准数学表格,第 28 版。 Boca Raton, FL: CRC Press, 1987.Bryc, W. "右正态尾部积分的一致逼近." Math. Comput. 127, 365-374, 2002.Feller, W. 概率论及其应用导论,卷 1,第 3 版。 纽约: Wiley, 1968.Feller, W. 概率论及其应用导论,卷 2,第 3 版。 纽约: Wiley, p. 45, 1971.Hastings, C. 数字计算机近似。 Princeton, NJ: Princeton University Press, 1955.Johnson, N.; Kotz, S.; 和 Balakrishnan, N. 连续单变量分布,卷 1,第 2 版。 Boston, MA: Houghton Mifflin, 1994.Patel, J. K. 和 Read, C. B. 正态分布手册。 纽约: Dekker, 1982.Sloane, N. J. A. 整数序列在线百科全书中的序列 A001147/M3002 和 A014481Whittaker, E. T. 和 Robinson, G. "正态频率分布." Ch. 8 in 观测演算:数值数学专著,第 4 版。 纽约: Dover, pp. 164-208, 1967.

在 Wolfram|Alpha 中引用

正态分布函数

引用为

Weisstein, Eric W. "正态分布函数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/NormalDistributionFunction.html

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