機率密度函數(probability density function, pdf)
對連續隨機變數,你無法逐值列出機率,因為有無窮多個值密密地填滿、沒有空隙,而且每個單一值的機率都是零。取而代之,你用密度來描述機率散布得多濃。把機率想成沿數線塗抹的一堆沙:密度 f(x) 告訴你在點 x 處沙堆有多深。曲線高的地方,附近的值更可能落到;曲線低的地方,則較罕見。
關鍵規則是:機率是面積,不是高度。要求 X 落在 a 與 b 之間的機率,你把密度在那個區間上積分:P(a <= X <= b) = 從 a 到 b 對 f(x) dx 積分。整條曲線圍出的總面積為 1,因為 X 必定落在某處:從 -infinity 到 infinity 對 f(x) dx 積分 = 1。而且 f(x) 絕不能為負,因為任何地方都不可能有負機率。於是讀取機率就變成讀取曲線下的面積。
至關重要的是,單一點上的高度 f(x) 是密度,不是機率。它告訴你在 x 附近每單位長度的機率,像是一個速率。把密度乘上一個極小的寬度 dx,你就得到 x 附近那一小片值的近似機率 f(x) dx。因為單一點的寬度為零,所以對每個 x 都有 P(X = x) = 0;這就是為什麼端點無所謂,P(a <= X <= b) 等於 P(a < X < b)。密度是離散 pmf 的連續對應物,但這個類比並不完美:質量是機率,密度不是。
令 X 在 [0, 2] 上均勻,所以密度是平坦的曲線 f(x) = 1/2(0 <= x <= 2,外側為 0)。那麼 P(0.5 <= X <= 1.5) 是一個寬 1、高 1/2 的矩形面積,即 1/2。注意高度 1/2 並不是任何點的機率。
連續變數的機率是密度在某區間上的面積,絕不是某一點上的高度。
密度可以超過 1。在像 [0, 0.5] 這樣的窄區間上,合法的密度可能達到 2,因為必須等於 1 的是它的總面積,而不是它的高度。密度的單位是每單位長度的機率。