68–95–99.7法则
在统计上,68–95–99.7法则(68–95–99.7 rule)是在正态分布中,距平均值小于一个标准差、二个标准差、三个标准差以内的百分比,更精确的数字是68.27%、95.45%及99.73%。若用数学用语表示,其算式如下,其中X为正态分布随机变量的观测值,μ为分布的平均值,而σ为标准差:
在实验科学中有对应正态分布的三西格马法则(three-sigma rule of thumb),是一个简单的推论,内容是“几乎所有”的值都在平均值正负三个标准差的范围内,也就是在实验上可以将99.7%的概率视为“几乎一定”[1]。不过上述推论是否有效,会视探讨领域中“显著”的定义而定,在不同领域,“显著”(significant)的定义也随着不同,例如在社会科学中,若置信区间是在正负二个标准差(95%)的范围,即可视为显著。但是在粒子物理中,若是发现新的粒子,置信区间要到正负五个标准差(99.99994%)的程度。
在不是正态分布的情形下,也有另一个对应的三西格马法则(three-sigma rule),即使是在非正态分布的情形下,至少会有88.8%的概率会在正负三个标准差的范围内,这是依照切比雪夫不等式的结果。若是单模分布(unimodal distributions)下,正负三个标准差内的概率至少有95%,若一些符合特定条件的分布,概率至少会到98%[2] 。
数值表
由于正态分布含有指数项的特性,超出某个标准差范围的概率会随着该范围的扩大而大幅减小。假如某实验每天进行一次,则实验结果超出某标准差范围的频率可列为下表:
范围 | 预期的样本比例在范围内 | 近似预期频率超出范围 | 近似频率(假设每天实验一次) |
---|---|---|---|
μ ± 0.5σ | 0.382924922548026 | 3次中发生2次 | 每星期四至五次 |
μ ± σ | 0.682689492137086 | 3次中发生1次 | 每星期两次 |
μ ± 1.5σ | 0.866385597462284 | 7次中发生1次 | 每星期 |
μ ± 2σ | 0.954499736103642 | 22次中发生1次 | 每三个星期 |
μ ± 2.5σ | 0.987580669348448 | 81次中发生1次 | 每三个月 |
μ ± 3σ | 0.997300203936740 | 370次中发生1次 | 每年 |
μ ± 3.5σ | 0.999534741841929 | 2 149次中发生1次 | 每六年 |
μ ± 4σ | 0.999936657516334 | 15 787次中发生1次 | 每43 年(约一生两次) |
μ ± 4.5σ | 0.999993204653751 | 160次中发生1次 147 | 每403 年(近代以来仅1次) |
μ ± 5σ | 0.999999426696856 | 744278次中发生1次 1 | 每年(人类记录历史以来仅1次) 4776 |
μ ± 5.5σ | 0.999999962020875 | 330254次中发生1次 26 | 每090年(智人出现以来仅4次) 72 |
μ ± 6σ | 0.999999998026825 | 797346次中发生1次 506 | 每138万年(直立人出现以来仅1-2次) |
μ ± 6.5σ | 0.999999999919680 | 450197393次中发生1次 12 | 每3400万年(恐龙灭绝以来仅2次) |
μ ± 7σ | 0.999999999997440 | 682215445次中发生1次 390 | 每10.7亿年(地球诞生以来仅4次) |
μ ± xσ | 1 in | 每 天 |
参考文献
- ^ “三西格马法则”的用法大约是在公元2000年代时出现,有刊载在Schaum's Outline of Business Statistics. McGraw Hill Professional. 2003: 359及Grafarend, Erik W. Linear and Nonlinear Models: Fixed Effects, Random Effects, and Mixed Models. Walter de Gruyter. 2006: 553.上
- ^ See:
- Wheeler, D. J.; Chambers, D. S. Understanding Statistical Process Control. SPC Press. 1992.
- Czitrom, Veronica; Spagon, Patrick D. Statistical Case Studies for Industrial Process Improvement. SIAM. 1997: 342.
- Pukelsheim, F. The Three Sigma Rule. American Statistician. 1994, 48: 88–91.
参见
- P值
- 西格玛等级
- 标准分数
- t-统计