指數分布計算器
計算指數分布的 PDF、CDF 與統計量。
輸入速率參數 λ 與數值 x,即可計算指數分布的機率與統計指標。
指數分布計算器
計算指數分布的 PDF、CDF 與統計量。
關於指數分布計算器
指數分布是一種連續型機率分布,用來描述卜瓦松過程中事件之間的等待時間——也就是事件以固定平均速率持續且彼此獨立發生的過程。它由單一參數 λ(lambda)刻畫,稱為速率參數,代表單位時間內的平均事件數。事件間的平均等待時間為 1/λ。
機率密度函數(PDF)為 f(x) = λe^(−λx),適用於 x ≥ 0。累積分布函數(CDF)為 F(x) = P(X ≤ x) = 1 − e^(−λx),表示下一次事件發生時間小於或等於 x 的機率。存活函數 P(X > x) = e^(−λx) 表示到時間 x 為止事件尚未發生的機率。
指數分布有一個重要特性稱為無記憶性:P(X > s + t | X > s) = P(X > t)。這表示,在已經等待了 s 個時間單位且尚未發生事件的前提下,再等待 t 個單位的機率,和剛開始等待時是一樣的。在連續分布中,只有指數分布具有這個特性,因此特別適合用來建模沒有老化或劣化效應的系統。
指數分布的統計矩都可用 λ 表示:平均數 = 1/λ,變異數 = 1/λ²,標準差 = 1/λ,中位數 = ln(2)/λ ≈ 0.693/λ。請注意平均數大於中位數,這反映了此分布右偏的形狀。
它在現實中的應用相當廣泛。在可靠度工程中,指數分布可用來描述不會磨損的電子元件壽命(例如某些電晶體)。在排隊理論中,它描述到達間隔與服務時間。在核物理中,放射性衰變遵循指數分布。在電信中,它用來建模連續封包到達之間的時間。在金融中,它在簡化模型裡近似描述交易或信用事件之間的時間。
範例
這些範例展示了指數分布如何出現在實際情境中。
| 參數 | 機率 | 情境 |
|---|---|---|
| λ = 2 per min, x = 0.5 min | P(X < 0.5) ≈ 0.6321 | 客服來電平均每分鐘 2 次;30 秒內接到下一通電話的機率為 63% |
| λ = 0.0005 per hr, x = 2500 hr | P(X ≥ 2500) ≈ 0.2865 | 平均壽命 2000 小時的燈泡;使用超過 2500 小時的機率約為 29% |
| λ = 0.1 per sec, x = 5 sec | f(5) ≈ 0.0607 | 放射性衰變在恰好 5 秒時的 PDF |
| λ = 0.1 per min, x = 15 min | P(X > 15) ≈ 0.2231 | 公車平均每 10 分鐘一班;等待超過 15 分鐘的機率為 22% |
如何使用此計算器
- 輸入速率參數 λ(lambda)——也就是單位時間內的平均事件數。如果平均到達時間為 10 分鐘,則 λ = 1/10 = 0.1。
- 輸入數值 x——也就是你要評估分布的特定時間(或距離、或其他量)。
- 選擇計算類型:PDF 表示 x 處的機率密度;CDF 選項則表示累積機率。
- 點擊「計算」即可查看所選機率,以及該分布的平均數、中位數、變異數與標準差。
- 使用快速載入按鈕,探索指數分布在現實中的常見情境。
常見問題
速率參數 λ 代表什麼?
速率參數 λ(lambda)表示單位時間(或距離、空間)內發生的平均事件數。例如,如果顧客到達率是每小時 3 人,則 λ = 每小時 3 人,平均到達間隔為 1/λ = 20 分鐘。λ 越大,表示事件發生越頻繁,分布越集中在 0 附近。
PDF 和 CDF 有什麼差別?
PDF f(x) = λe^(−λx) 給出某個特定點 x 的機率密度——它本身不是機率,而是單位 x 上的機率速率。CDF F(x) = P(X ≤ x) = 1 − e^(−λx) 給出隨機變數不超過 x 的機率,這才是介於 0 和 1 之間的真實機率。對於連續分布,某個精確點上的機率為 0;機率只適用於區間。
什麼是無記憶性?
無記憶性表示 P(X > s + t | X > s) = P(X > t):如果你已經等待了 s 個時間單位但事件還沒發生,那麼再等待 t 個單位的機率,和剛開始等待時是一樣的。通俗來說,一顆已經工作了 1000 小時的燈泡,在接下來一小時內失效的機率,和一顆全新的燈泡相同——沒有老化效應。在連續分布中,只有指數分布具有這種性質。
為什麼平均數大於中位數?
指數分布的平均數是 1/λ,而中位數是 ln(2)/λ ≈ 0.693/λ。中位數更小,是因為該分布右偏:較大的長尾值會把平均數向上拉。超過一半的觀測值都低於平均數,這是正偏態分布的典型特徵。在可靠度分析中,這一點很重要,因為「典型」的失效時間通常看中位數而不是平均數。
指數分布能用於壽命資料嗎?
指數分布適用於失效率固定的零件——也就是不會隨時間磨損、也不受疲勞或老化影響的對象。這對某些電子元件和部分軟體故障是合理的模型。但對於會磨損的零件(如機械部件或人類壽命),形狀參數不等於 1 的 Weibull 分布通常更合適。
如何從經驗資料求 λ?
從觀測資料 x₁, x₂, …, xₙ 得到的 λ 最大概似估計,就是樣本平均數的倒數:λ̂ = n / Σxᵢ = 1 / x̄。這個結果很直觀:如果事件平均每 5 分鐘發生一次(平均數 = 5),那麼速率就是 λ = 1/5 = 每分鐘 0.2。你可以用 Q-Q 圖或適合度檢定來驗證指數分布擬合。