理论与主要公式
$$f(x;\mu,\sigma) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\exp\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right)$$
正态分布 PDF:\(\mu\) 均值、\(\sigma\) 标准差。满足 68-95-99.7 法则
$$f(x;\lambda) = \lambda e^{-\lambda x}, \quad f(x;a,b) = \frac{\Gamma(a+b)}{\Gamma(a)\Gamma(b)}x^{a-1}(1-x)^{b-1}$$
指数分布(左)与贝塔分布(右):用于置信区间和贝叶斯统计
什么是概率分布模拟器
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看了图还是分不清 PDF 和 CDF 的区别。它们分别在什么情况下使用?
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大致来说,PDF 是“概率的密度”,CDF 是“概率的累积”。例如产品寿命服从指数分布时,PDF 表示“恰好在 100 小时失效的概率密度”,CDF 表示“100 小时以内失效的概率”。在上方选择框中选“指数分布”,同一张图上会同时画出 PDF(左轴)和 CDF(右轴),可以一眼看出 PDF 越高的地方 CDF 的斜率越陡。
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咦,概率密度不是概率?按下“生成 N=2000 个样本”按钮后,直方图为什么会和 PDF 曲线重合?
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问得好。PDF 的数值本身不是概率,而是“密度”;直方图中每根柱子的面积才是概率。蒙特卡洛采样生成 N=2000 个随机数后,直方图的形状会逼近理论 PDF,这就是“大数定律”的直观体现。先拖动正态分布的均值 μ 滑块再采样,可以看到整个直方图一起移动。
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不同分布的形状差别真大。计算结果里的偏度和超额峰度也随分布不同,它们描述的是什么现象?
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在实务中,比如金融风险分析里考察股票收益率的分布,往往比正态分布“尾部更重”(峰度为正),这意味着暴跌和暴涨比理论预测更频繁。在模拟器中选择“t分布”,把自由度 ν 调小:ν=5 时超额峰度为 6,ν 不大于 4 时峰度无定义,显示为“未定义”。两端比正态分布更高,也就是高风险事件更容易发生的分布。
物理模型与主要公式
概率密度函数(PDF)是概率分布的核心,表示连续随机变量 $X$ 取值在 $x$ 附近的相对可能性。它本身不是概率,积分后才得到概率。
$$ f_X(x) = \frac{d}{dx}F_X(x) $$
其中 $f_X(x)$ 为概率密度函数,$F_X(x)$ 为下文的累积分布函数(CDF)。$f_X(x) \ge 0$,且在全区间上的积分为 1:$\int_{-\infty}^{\infty}f_X(x) dx = 1$。
累积分布函数(CDF)直接给出随机变量 $X$ 不超过某个值 $x$ 的概率,是所有概率分布的基础函数。
$$ F_X(x) = P(X \le x) = \int_{-\infty}^{x} f_X(t) dt $$
$F_X(x)$ 关于 $x$ 单调不减,取值在 $0$ 到 $1$ 之间。本工具中 CDF 曲线总是向右上升并从 0 收敛到 1,正是这一性质的体现。
常见问题
本工具是自动更新的。改变滑块或数值框后,图形和计算结果(均值、方差、偏度、超额峰度、区间概率)会立即更新。唯一不会自动更新的是蒙特卡洛直方图,它只在按下“生成 N=2000 个样本”按钮时重新绘制。另外,区间概率只在 a < b 时计算。
这是随机数带来的统计波动。样本数固定为 N=2000,每按一次按钮都用新的随机数重新生成,所以直方图的形状每次都略有不同。相对波动的量级为 1/√N(N=2000 时约 2%),计数少的尾部区间波动最大。多按几次,可以看到直方图在理论 PDF 周围摆动。
PDF(概率密度函数)中曲线的高度表示该值出现的相对可能性。CDF(累积分布函数)中曲线的值表示不超过该值的概率。例如 CDF 为 0.8 的点,表示有 80% 的概率不超过该值。
这是中心极限定理的结果。n 增大时二项分布的形状趋于左右对称的钟形,可以用均值 np、方差 np(1-p) 的正态分布近似。把滑块 n 从 5 调到 50 即可观察这一过程。
现实世界中的应用
质量管理与可靠性工程:产品寿命和故障间隔用指数分布或伽马分布建模(实务中也常用威布尔分布)。利用 CDF 计算“保修期内失效的概率”,据此制定保修策略。
金融工程与风险管理:股票收益率的分布具有正态分布无法解释的“厚尾”,因此采用 t分布或广义双曲分布。VaR(风险价值)由 CDF 的尾部计算风险金额。
保险精算:发生频率低但一旦发生损失巨大的事故(地震、海啸)的发生次数用泊松分布建模,单次损失金额用对数正态分布或帕累托分布建模,用于计算保费。
机器学习与贝叶斯统计:作为未知参数的先验分布,概率在 [0,1] 范围内时常用贝塔分布,取正值时常用伽马分布。马尔可夫链蒙特卡洛法(MCMC)是这里体验的蒙特卡洛采样的进阶形式。
常见误解与注意事项
首先要牢记“PDF 的高度并非概率本身”。例如均值为 0、标准差为 0.5 的正态分布,其 PDF 在 x=0 处约为 0.8 这一较高的值。这表示“0 是最容易出现的值”,而不是“X=0 的概率为 0.8”,因为连续分布中单点的概率为 0。要得到概率,必须指定区间并考虑 PDF 下方的面积。在工具中选择“正态分布”,把 σ 设为 0.5,在区间概率中输入 a=0、b=0.5,会显示 P(0≤X≤0.5)≈0.341。这个值就是随机变量落入该区间的概率,即 PDF 下方的面积。
其次,设置分布参数时不要混淆尺度。二项分布的试验次数 n 与成功概率 p、泊松分布的平均发生次数 λ,都必须按实际数据认真考虑单位。例如用泊松分布对“每小时平均到达 3 名顾客”建模时,若分析的时间窗口为 30 分钟,则必须设 λ=1.5。在工具中把 λ 从 3 改为 1.5,可以看到分布的峰值向左移动。这种设置错误会严重扭曲预测结果,务必注意。
最后是一个实务上的陷阱:蒙特卡洛采样的“N”并非越大越好。N=10000 的直方图确实比 N=2000 更接近理论 PDF,但要权衡计算成本与精度。尤其在评估罕见的“尾部风险”时,与其单纯增加 N,不如采用重要性采样等高级方法。在工具中选择“t分布”并把自由度设为 3,反复按“生成 N=2000 个样本”按钮:直方图两端(尾部)的形状每次运行都有很大波动。这正是罕见事件难以模拟的原因之一。