隨機變數與其分布

分位數函數(quantile / inverse-cdf function)

cdf 回答一個正向問題:給定值 x,有多少比例的機率在它或它以下?分位數函數把它反過來跑:給定介於 0 與 1 之間的比例 p,哪個值 x 的下方恰有這個比例的機率?它是把分布切開、使比例 p 落在其左側的切點。0.5 分位數是中間(中位數);0.9 分位數是 90% 的結果落在其下的那個值。

嚴格地說,分位數函數 Q(p) 是 cdf 的反函數:Q(p) = 使 F(x) >= p 成立的最小 x,當 cdf 嚴格遞增時就只是 Q(p) = F 的反函數作用在 p 上。要用它,選定你在意的機率再橫向讀取:要找某分布的 0.95 分位數,就找 cdf 第一次達到 0.95 的那個 x。那個 x 就是使 95% 的機率在它或它以下、5% 在它之上的值。百分位數是以百分比表示的分位數:第 95 百分位數就是 Q(0.95)。

分位數在實務中無所不在:考試的百分位排名、所得中位數、百年一遇的洪水水位、金融中的風險值,以及盒鬚圖的鬚。之所以需要那個謹慎的定義(使 F(x) >= p 的最小 x),是因為 cdf 可能平坦或跳躍,乾淨的反函數未必存在;取最小 x 的慣例無論如何都選出一個合理的值。再補一個寶貴的事實:把 [0, 1] 上的均勻亂數餵進分位數函數,會產生來自該分布的一個抽樣,這正是電腦模擬許多隨機變數的方法。

對標準常態而言,Q(0.5) = 0(這裡中位數等於平均),Q(0.975) 約為 1.96,Q(0.025) 約為 -1.96,這就是為什麼 95% 區間大約延伸到平均兩側各 1.96 個標準差。

分位數函數把 cdf 反轉:餵入一個機率,得出切點值。

當 cdf 平坦或跳躍時,嚴格的反函數失效,因此標準的補救是 Q(p) = 使 F(x) >= p 的最小 x。這讓分位數即使對離散分布也有良好定義。

又稱
quantile functioninverse cdfpercent-point function分位數函數反累積分布函數