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輸入計算

k 必須大於 1,界限才會有意義(為正值)。

數學公式

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結果

At least this fraction of data lies within 2 standard deviations of the mean
75%
i.e. at least 0.75 of all values
k 個標準差內的最少佔比 0.75
k 個標準差外的最大佔比 25%

什麼是柴比雪夫定理?

柴比雪夫定理(又稱柴比雪夫不等式)能告訴你:在距離平均數一定個數標準差的範圍內,資料至少會佔多少比例——而且適用於任何分布,無論它有多偏斜、形狀多麼怪異。和只適用於鐘形(常態)分布的經驗法則不同,柴比雪夫定理給出的界限放諸四海皆準。

鐘形分布,均值居中,陰影區間向兩側各延伸 k 個標準差
切比雪夫定理給出了距均值 \(k\) 個標準差範圍內資料的最小比例下界。

如何使用這個計算器

輸入 k,也就是你關心的「距離平均數幾個標準差」。計算器會回傳保證落在該範圍內的資料最少比例(以分數與百分比表示),以及可能落在範圍外的最大比例。請注意,\(k\) 必須大於 1 才能得到有意義的正值界限;當 \(k = 1\) 時,定理什麼都保證不了(0%)。

公式詳解

定理的內容如下:

$$P(|X - \mu| < k\sigma) \geq 1 - \frac{1}{k^{2}}$$

其中 \(\mu\) 是平均數,\(\sigma\) 是標準差,\(k\) 是標準差的個數。\(1 - \frac{1}{k^{2}}\) 這個值,就是資料落在區間 \((\mu - k\sigma, \mu + k\sigma)\) 內的保證最少比例;它的補數 \(\frac{1}{k^{2}}\),則是可能落在區間外的最大比例。

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顯示 2、3、4 個標準差範圍內資料最小百分比的長條圖
保證的最小比例隨 \(k\) 增大而上升:\(k=2\) 時為 75%,\(k=3\) 時約 89%,\(k=4\) 時約 94%。

實例演算

假設 \(k = 2\),那麼 $$1 - \frac{1}{2^{2}} = 1 - \frac{1}{4} = 0.75$$ 也就是說,不論分布形狀如何,至少有 75% 的資料會落在平均數的 2 個標準差範圍內,最多只有 25% 落在範圍外。若 \(k = 3\),界限則為 \(1 - \frac{1}{9} \approx 88.89\%\)。

常見問題

為什麼 k 一定要大於 1?當 \(k = 1\) 時,界限為 \(1 - \frac{1}{1} = 0\),等於什麼都沒保證;而當 \(k < 1\) 時,界限會變成負數、毫無意義,因此計算器會直接顯示 0%。

它和經驗法則有什麼不同?經驗法則(68-95-99.7 法則)只給出近似百分比,而且僅適用於常態分布。柴比雪夫定理則為所有分布提供一個保證的下界,因此它的百分比一定比較小(更保守)。

k 可以是小數嗎?可以。\(k\) 可以是任何大於 1 的值,例如 1.5 或 2.5;公式 \(1 - \frac{1}{k^{2}}\) 同樣適用於非整數的 \(k\)。

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