什麼是 Lévy 分布?
Lévy 分布是一種連續、具有重尾(heavy-tailed)特性的機率分布,僅定義在大於位置參數 mu 的數值上。它有兩個參數:位置參數 mu,用來決定分布支撐區間的起點;以及尺度參數 c(必須為正),用來伸縮分布的形狀。Lévy 分布屬於穩定分布(stable distribution)家族,常見於物理學(布朗運動的首達時間)、財務金融,以及異常擴散(anomalous diffusion)的研究。值得注意的是,它的平均數與變異數都是無限大,這也是為什麼本工具只輸出密度與累積機率,而不提供平均數、變異數等統計量。
如何使用這個計算器
首先選擇要顯示的曲線:機率密度函數 \(f\)、下側累積機率 \(P\),或上側累積機率 \(Q\)。接著輸入位置參數 mu 與正的尺度參數 c。然後透過起始值、增量(step)與點數三項設定,定義要計算的 x 範圍。計算器會在每個點上求出 x 值,列出第一個 x 對應的 \(f\)、\(P\) 與 \(Q\),並把所選函數以曲線形式繪製在整個範圍上。
公式說明
令 \(s = x - mu\)。當 \(s > 0\) 時,密度為 $$f(x) = \sqrt{\frac{c}{2\pi}} \cdot e^{-\frac{c}{2s}} \cdot s^{-3/2}$$ 下側累積分布為 $$P(x) = \operatorname{erfc}\!\left(\sqrt{\frac{c}{2s}}\right)$$ 其中 erfc 為互補誤差函數;而上側(存活)函數為 $$Q(x) = 1 - P(x) = \operatorname{erf}\!\left(\sqrt{\frac{c}{2s}}\right)$$ 當 x 等於或小於 mu 時,該處沒有機率質量,因此 \(f = 0\)、\(P = 0\)、\(Q = 1\)。誤差函數採用 Abramowitz & Stegun 7.1.26 的有理逼近式計算。
實際範例
當 \(mu = 0\)、\(c = 1\)、\(x = 1\) 時:\(s = 1\),因此 $$f = \sqrt{\frac{1}{2\pi}} \cdot e^{-0.5} = 0.398942 \cdot 0.606531 \approx 0.24197$$ 引數 \(z = \sqrt{1/2} = 0.70711\),\(\operatorname{erf}(z) \approx 0.68269\),所以 \(P = \operatorname{erfc}(z) \approx 0.31731\),\(Q \approx 0.68269\) —— 這正是標準 Lévy(0,1) 的數值。
常見問題
為什麼 c 必須大於 0?尺度參數決定了分布的離散程度;若 c 為非正數,密度將無法定義,因此計算器要求 \(c > 0\)。
當 x 小於 mu 時會怎樣?分布在該區間沒有支撐,所以 \(f = 0\)、下側累積機率 \(P = 0\)、上側累積機率 \(Q = 1\)。
為什麼沒有平均數與變異數?Lévy 分布的尾部極重,導致平均數與變異數都發散到無限大,因此無法提供任何有限的統計摘要值。