特殊函數

誤差函數(error function)

/ the symbol erf is read 'erf' /

鐘形曲線是統計學中最重要的形狀,但它一部分下方的面積無法用初等函數寫出——不存在任何多項式、指數和三角函數的有限組合,其導數等於 e^{-x^2}。於是數學家乾脆給所需的原函數起了名字。誤差函數 erf(x) 就是高斯鐘形曲線下的累積面積,經過縮放使其穩定在 1。

確切地說,erf(x) = (2 除以 根號 pi) 乘 從 0 到 x 對 e^{-t^2} dt 的積分。前置因子 2/(根號 pi) 的選取使得 erf(無窮) = 1、erf(負無窮) = -1;該函數是奇函數,erf(0) = 0,在原點附近陡升而後趨平。儘管它沒有初等閉式,卻是完全良定義、無窮可微且易於計算的——其泰勒級數為 erf(x) = (2 除以 根號 pi) 乘 (x 減 x^3/3 加 x^5/10 減 ...),查表或內置例程可把它算到全機器精度。

誤差函數其實是喬裝的標準正態累積機率:標準正態變量落在某區間內的機率,是一個平移縮放的 erf,這正是它支配測量誤差、訊噪比計算和品質控制的原因。它還求解熱方程與擴散方程——從一個突變台階擴散出去的溫度分布,恰好是以相似變量 x 除以 根號(4 D t) 為自變量的誤差函數。說 e^{-x^2} 的積分是非初等的,並不意味著它不可計算;只是意味著我們給答案起了個名字,正如我們當年給對數起名一樣。

erf(1) 約等於 0.8427,即高斯權重 e^{-t^2} 在 (-1, 1) 上相對總量約占 84.27%。配套的恒等式 erf(無窮) = 1 不過是高斯積分 從負無窮到無窮對 e^{-t^2} dt 的積分 = 根號 pi。

erf 之所以恰好飽和到 1,正是因為完整高斯積分等於 根號 pi,而前置因子 2/(根號 pi) 把它抵消。

非初等不等於無定義或不可計算:erf 是一個完全普通的光滑函數,只是沒有任何初等函數的有限公式能表示它。

又稱
erfGauss error functionerf 函数高斯误差函数