什麼是均勻分布計算器?
連續均勻分布(continuous uniform distribution)描述的是一個隨機變數在區間 [a, b] 內取任何值的機率都相同的情形。本計算器會在這個區間上計算三個彼此相關的函數:機率密度 \(f(x)\)、下側累積機率 \(P(x)\)(即累積分布函數 CDF),以及上側累積機率 \(Q(x)\)(即存活函數)。此外,它還會依照 \(x\) 的掃描範圍產生一張數值表,方便你繪製所選函數的圖形。
使用方法
先選擇要計算的函數(密度 \(f\)、下側累積 \(P\),或上側累積 \(Q\))。接著輸入區間的上下界 \(a\) 與 \(b\)(須滿足 \(a < b\))。然後設定掃描條件:\(x\) 的起始值、每次反覆要遞增的步長(increment),以及反覆次數(要產生幾個 \(x\) 點)。結果欄會顯示函數在 [a, b] 中點處的值,而下方表格則列出整個掃描範圍內每一組 (x, 值) 的對應結果。
公式解析
令區間寬度為 \(w = b - a\)。在支撐區間內密度為定值:當 \(a \le x \le b\) 時 \(f(x) = 1/w\),區間外則為 0。
$$f(x) = \begin{cases} \dfrac{1}{\text{b} - \text{a}}, & \text{a} \le x \le \text{b} \\[0.6em] 0, & \text{otherwise} \end{cases}$$下側累積機率是從 \(a\) 開始累積的面積:\(P(x) = (x - a)/w\),在 \(a\) 以下截斷為 0、在 \(b\) 以上截斷為 1。
$$P(x) = \begin{cases} 0, & x < \text{a} \\[0.6em] \dfrac{x - \text{a}}{\text{b} - \text{a}}, & \text{a} \le x \le \text{b} \\[0.6em] 1, & x > \text{b} \end{cases}$$上側累積機率則是其補數:\(Q(x) = (b - x)/w\),在 \(a\) 以下截斷為 1、在 \(b\) 以上截斷為 0。
$$Q(x) = \begin{cases} 1, & x < \text{a} \\[0.6em] \dfrac{\text{b} - x}{\text{b} - \text{a}}, & \text{a} \le x \le \text{b} \\[0.6em] 0, & x > \text{b} \end{cases}$$由於兩者合起來涵蓋整個密度,因此在任何位置都有 \(P(x) + Q(x) = 1\)。計算器也會防範 \(a = b\)(寬度為零)這種退化情況,以免發生除以零的錯誤。
實例演算
當 \(a = 2\)、\(b = 8\) 時,寬度 \(w = 6\)。在 \(x = 5\)(中點)處:
$$f(5) = \frac{1}{6} \approx 0.16667$$$$P(5) = \frac{5 - 2}{6} = 0.5$$$$Q(5) = \frac{8 - 5}{6} = 0.5$$正好驗證 \(P + Q = 1\)。在 \(x = 0\)(低於 \(a\))時,密度為 0、\(P = 0\)、\(Q = 1\)。在 \(x = 8\)(上界)時 \(P = 1\)、\(Q = 0\)。
常見問題
為什麼密度值會大於 1? 密度不是機率,而是每單位長度上的機率。對於較窄的區間,\(1/(b - a)\) 可能會超過 1,但曲線下的總面積仍然等於 1。
如果 a 等於 b 會怎樣? 此時寬度為零,密度無定義(趨於無限大),累積函數則退化成一個階梯。計算器會把這視為無效輸入並提示錯誤。
步長可以是負數嗎? 可以。負的遞增值會讓掃描由大到小遞減進行;在 [a, b] 區間之外,公式一樣會正確截斷。