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输入计算

k 须大于 1,才能得到有意义的(正向)界限。

数学公式

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结果

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 倍标准差内的最小占比 0.75
k 倍标准差外的最大占比 25%

什么是切比雪夫定理?

切比雪夫定理(又称切比雪夫不等式)能告诉你:在距离均值若干倍标准差的范围内,数据至少会占多大比例——这是一个下限保证,而且对任何分布都成立,无论数据多么偏斜或形状多么不规则。与只适用于钟形(正态)分布的经验法则不同,切比雪夫给出的界限放之四海而皆准。

钟形分布,均值居中,阴影区间向两侧各延伸 k 个标准差
切比雪夫定理给出了距均值 \(k\) 个标准差范围内数据的最小比例下界。

如何使用本计算器

输入 k,也就是你关心的"距离均值有几倍标准差"。计算器会返回保证落在该区间内的观测值最小比例(含百分比),以及最多可能落在区间之外的比例。请注意,k 必须大于 1 才能得到有意义的正向界限——当 k = 1 时,定理什么也保证不了(0%)。

公式详解

定理表述如下:

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

其中 \(\mu\) 是均值,\(\sigma\) 是标准差,\(k\) 是标准差的倍数。\(1 - \frac{1}{k^{2}}\) 即落在区间 \((\mu - k\sigma,\ \mu + k\sigma)\) 内数据的最小保证比例;其补集 \(\frac{1}{k^{2}}\) 则是最多可能落在区间之外的比例。

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显示 2、3、4 个标准差范围内数据最小百分比的柱状图
保证的最小比例随 \(k\) 增大而上升:\(k=2\) 时为 75%,\(k=3\) 时约 89%,\(k=4\) 时约 94%。

实例演算

假设 \(k = 2\),则 $$1 - \frac{1}{2^{2}} = 1 - \frac{1}{4} = 0.75$$ 也就是说,无论分布形状如何,至少有 75% 的数据落在均值 ±2 倍标准差范围内,最多只有 25% 落在范围之外。若 \(k = 3\),下限则为 \(1 - \frac{1}{9} \approx 88.89\%\)。

常见问题

为什么 k 一定要大于 1? 当 \(k = 1\) 时,界限为 \(1 - \frac{1}{1} = 0\),等于什么都没保证;只要 \(k < 1\),界限就会变成负数、毫无意义,因此计算器会显示 0%。

它和经验法则有什么区别? 经验法则(68-95-99.7 法则)给出的是近似百分比,但仅适用于正态分布。切比雪夫定理则为所有分布提供一个有保证的下限,因此它的百分比总是更小、更保守。

k 可以是小数吗? 可以。\(k\) 能取任何大于 1 的值,比如 1.5 或 2.5;公式 \(1 - \frac{1}{k^{2}}\) 对非整数的 \(k\) 同样成立。

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