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期望值計算機(隨機變數的平均數、變異數、標準差)

請依照機率分布表,一列一列輸入可能的值 x 和它的機率 p。淡色顯示的例子是「抽一次獎能拿到的獎金」(0 元 70%、100 元 20%、500 元 9%、10,000 元 1%)。

數值請用半形輸入。機率可以用 0.2、20%、1/5 任一種形式輸入,所有列的機率加起來必須等於 1。值也可以輸入負數(損失)。不使用的列請讓「值」「機率」兩欄都保持空白。
計算結果與圖表
在左側輸入欄輸入值與機率的組合,按下「計算」,結果和圖表就會顯示在這裡。

這個頁面可以做什麼

  • 只要輸入機率分布表(可能的值 \(x\) 與其機率 \(p\) 的組合,2~10 列),馬上就能算出期望值 \(E(X)\)、變異數 \(\mathrm{Var}(X)\)、標準差 \(\sigma(X)\)
  • 答案同時以 \(\dfrac{7}{2}\) 這樣約分後的最簡分數(精確值)和小數顯示,也能看到把數值代入 \(E(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + \cdots\) 的計算過程
  • 自動檢查機率的總和是否剛好等於 1。不等於 1 時,會告訴您目前的總和是多少
  • 機率可以用 0.2、20%、1/5 任一種形式輸入。值也可以輸入負數(損失)
  • 計算結果會顯示機率分布的長條圖,並用垂直虛線標出期望值 \(E(X)\) 的位置
這個頁面處理的是可能的值為有限個的隨機變數(離散型隨機變數)。不支援像身高這樣取連續值的隨機變數的期望值。

這個計算有什麼用?

把彩券、抽卡「平均每次能拿回多少」化為數字

把「獎金 × 中獎機率」全部相加的期望值,正是每買一次平均能拿回的金額。在台灣,《公益彩券發行條例》規定獎金支出不得超過彩券券面總金額的 75%,而大樂透每期的總獎金約為銷售金額的五成多,所以從期望值來看,一張彩券能拿回的金額遠低於它的售價。
手機遊戲的抽卡(轉蛋)也能做同樣的計算,根據遊戲公布的機率,就能估算「抽到想要的角色或道具大約要花多少錢」。

訂定保費(保險公司定價的基礎)

壽險、汽車保險的保費,是以「理賠金額 × 該事故或疾病發生的機率」的總和,也就是理賠金額的期望值為基礎,再加上營運費用等訂定的。還有專門做這種計算的保險精算專家,稱為精算師。
從保戶的角度來看,保險在期望值上是付出比拿回多的交易,但它是一種為了防範罕見的重大損失、買一份安心的機制。

用同一把尺比較投資的報酬與風險

在理財投資的領域,普遍會把報酬率的期望值當作「可預期的獲利」,把標準差當作「風險(波動幅度)」,用數字來處理。如果兩個商品的期望值相同,標準差較小的那一個價格波動比較平穩。
把「期望值的高低」和「分散程度的大小」分成兩個數字來看,這個頁面的想法,直接連結到金融的實務。

遊戲的平衡調整(獎勵、傷害的設計)

設計桌遊或電玩時,會計算「2 顆骰子點數的和」「每次攻擊的傷害」「寶箱掉落道具的價值」等的期望值,來平衡強度與獎勵。
例如「50% 機率造成 100 點傷害」和「一定造成 50 點傷害」,期望值都是 50,但變異數不同,所以是手感不同的招式。為了做出想要的遊玩體驗,期望值和分散程度兩者都會被調整。

公式與圖表

期望值(隨機變數的平均數)
圖表
數學寫法 (一般的數學式)
\(E(X)\) \(=\) \(x_1\) \(\times\) \(p_1\) \(+\) \(\cdots\) \(+\) \(x_n\) \(\times\) \(p_n\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
③ \(E(X)\):期望值 \(=\) ① \(x_1\):第 1 個值 \(\times\) ② \(p_1\):它的機率 \(+\) \(\cdots\) \(+\) \(x_n\):最後一個值 \(\times\) \(p_n\):它的機率
用文字讀公式
① 把 每個可能的值 \(x_1,\ x_2,\ \dots,\ x_n\)
② 各自乘以 該值發生的機率 \(p_1,\ p_2,\ \dots,\ p_n\) 再全部相加,
③ 就得到 \(E(X)\):期望值
簡單範例
擲一次骰子,擲出的點數 \(X\) 的期望值是(每個點數出現的機率都是 \(\dfrac{1}{6}\))
\(E(X)\):點數的期望值 \(=\) 點數 1 \(\times\) 機率 \(\frac{1}{6}\) \(+\) \(\cdots\) \(+\) 點數 6 \(\times\) 機率 \(\frac{1}{6}\)
\(E(X) = 1 \times \dfrac{1}{6} + 2 \times \dfrac{1}{6} + 3 \times \dfrac{1}{6} + 4 \times \dfrac{1}{6} + 5 \times \dfrac{1}{6} + 6 \times \dfrac{1}{6}\)
\(E(X) = \dfrac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = \dfrac{21}{6} = \dfrac{7}{2} = 3.5\)
思考重點
期望值表示「平均每一次大約是多少」,是以機率加權的平均數(每個值 × 發生可能性的總和)。把骰子擲幾千次、幾萬次,擲出點數的平均會越來越接近這個 3.5(大數法則)。 實際上不會擲出「3.5 點」。訣竅是把期望值想成「重複很多次時平均每一次的值」,而不是「下一次會出現的值的預測」。 如上圖所示,把機率分布看成「重量的分布」時,期望值就相當於重心的位置。
變異數(分散程度的大小)
數學寫法 (一般的數學式)
\(\mathrm{Var}(X)\) \(=\) \(E(X^{2})\) \(-\) \([E(X)]^{2}\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
③ \(\mathrm{Var}(X)\):變異數 \(=\) ① \(E(X^2)\):平方的平均數 \(-\) ② \([E(X)]^2\):期望值的平方
用文字讀公式
① 用 \(E(X^2)\):先把值平方再取平均
② 減去 \([E(X)]^2\):先取平均再平方 ,
③ 就得到 \(\mathrm{Var}(X)\):變異數
簡單範例
骰子擲出的點數 \(X\)(期望值 \(E(X) = \dfrac{7}{2}\))的變異數是
\(\mathrm{Var}(X)\):點數的變異數 \(=\) \(E(X^2)\):點數平方的平均數 \(-\) 期望值的平方 \(\left(\frac{7}{2}\right)^2\)
\(E(X^{2}) = 1^{2} \times \dfrac{1}{6} + 2^{2} \times \dfrac{1}{6} + 3^{2} \times \dfrac{1}{6} + 4^{2} \times \dfrac{1}{6} + 5^{2} \times \dfrac{1}{6} + 6^{2} \times \dfrac{1}{6} = \dfrac{91}{6}\)
\(\mathrm{Var}(X) = \dfrac{91}{6} - \left(\dfrac{7}{2}\right)^{2} = \dfrac{182}{12} - \dfrac{147}{12} = \dfrac{35}{12}\)
思考重點
變異數表示「值在期望值周圍分散的程度」。原本的定義是把與期望值 \(\mu = E(X)\) 的差距(離差)平方後取平均:\(\mathrm{Var}(X) = (x_1 - \mu)^2 p_1 + (x_2 - \mu)^2 p_2 + \cdots + (x_n - \mu)^2 p_n\),從式子就能直接看出「差距平方的平均」這個意義。 不過,定義式中每一列都要和 \(\mu\) 相減,計算很麻煩。把定義式變形,就會得到上面 \(\mathrm{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2\)(平方的平均 − 平均的平方)這個簡單的形式,教科書實際計算時也幾乎都用這個公式。這個計算機的計算過程也是用這個公式顯示。 即使期望值相同,變異數越大,就是「中與不中的落差越大」的分布。例如「一定能拿到 100 元的籤」和「一半機率拿到 0 元或 200 元的籤」,期望值都是 100 元,但後者的變異數比較大。
標準差
數學寫法 (一般的數學式)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
\(\sigma(X)\) \(=\) \(\sqrt{\mathrm{Var}(X)}\)
② \(\sigma(X)\):標準差 \(=\) ① 變異數 \(\mathrm{Var}(X)\) 的正平方根
用文字讀公式
① 取 \(\mathrm{Var}(X)\):變異數 的正平方根(開根號),
② 就得到 \(\sigma(X)\):標準差
簡單範例
骰子擲出的點數 \(X\)(變異數 \(\mathrm{Var}(X) = \dfrac{35}{12}\))的標準差是
\(\sigma(X)\):點數的標準差 \(=\) 變異數 \(\frac{35}{12}\) 的正平方根
\(\sigma(X) = \sqrt{\dfrac{35}{12}} \approx 1.71\)
思考重點
變異數是「差距平方」的平均,所以連單位也被平方了(獎金的單位是元的話,變異數的單位就是元 × 元)。這樣不容易直覺掌握分散程度的大小,因此開根號、讓單位回到原本的,就是標準差。 像「期望值 165 元、標準差約 999 元的抽獎」這樣,和期望值一起看,就能用相同的單位比較「平均周圍的落差有多大」。
期望值 \(E(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + \cdots + x_n p_n\) 是把「每個值 × 它的機率」全部相加、以機率為權重的加權平均數。分散程度則用變異數 \(\mathrm{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2\) 和它的平方根標準差 \(\sigma(X)\) 來衡量。

符號與用語解說

符號

\(X\) X 隨機變數。像骰子擲出的點數這樣,表示「由試驗結果決定值的變數」。它是內容尚未決定的「結果的容器」,所以習慣用大寫字母來和一般的變數區分。
\(x_1,\ x_2,\ \dots,\ x_n\) x 下標 1、x 下標 2、…、x 下標 n 隨機變數 \(X\) 可能取的每一個值。右下角的小數字(下標)是表示「第幾個值」的編號,和值本身無關。
\(p_1,\ p_2,\ \dots,\ p_n\) p 下標 1、p 下標 2、…、p 下標 n 各個值發生的機率。\(p\) 是 probability(機率)的第一個字母。全部加起來一定等於 1。
\(n\) n 可能的值的個數(機率分布表的列數)。表示個數時,常用 number(數)的第一個字母 \(n\)。
\(E(X)\) E of X 隨機變數 \(X\) 的期望值。\(E\) 是 expectation、expected value(期望值)的第一個字母。這是表示「\(X\) 的期望值」這一個數的寫法,不是 \(E\) 乘以 \(X\)。
\(\mu\) mu 常用來表示期望值(平均數)的希臘字母,相當於 mean(平均)的 m。教科書在變異數的定義式中會令 \(\mu = E(X)\),把式子寫得比較短。
\(\mathrm{Var}(X)\) Var of X 隨機變數 \(X\) 的變異數。Var 來自 variance(變異數)。是與期望值的差距(離差)平方的平均,表示分散程度的大小。
\(\sigma(X)\) sigma of X 隨機變數 \(X\) 的標準差。\(\sigma\) 是希臘字母的小寫 sigma,相當於 standard deviation(標準差)的 s。是變異數的正平方根。
\(X^2\) X 平方 把隨機變數 \(X\) 的值平方得到的新隨機變數。\(E(X^2)\) 是「把每個可能的值平方後,再以機率加權取平均」的結果。
\(\sqrt{\phantom{0}}\) 根號 表示平方後等於該數、且大於或等於 0 的數(正平方根)的符號。例如 \(\sqrt{9} = 3\)。標準差就是在變異數上加這個符號求出的。

用語

隨機變數 像骰子擲出的點數、抽獎的獎金這樣,由試驗(結果由偶然決定的實驗或觀察)的結果決定值的變數。習慣用大寫的 \(X\) 表示。
機率分布 讓隨機變數每個可能的值,對應到該值發生的機率。做成表格的就是機率分布表,這個頁面的輸入欄就是直接輸入這張表的形式。
試驗 像擲骰子、抽籤這樣,可以在相同條件下重複、結果由偶然決定的實驗或觀察。
期望值 隨機變數的平均數。把每個值乘以它的機率再全部相加的值,試驗重複很多次時,會接近「平均每一次的值」。符號是 \(E(X)\) 或 \(\mu\)。
加權平均數 不是單純相加再除以個數,而是先把每個值乘上「權重」再相加的平均數。期望值就是以機率為權重的加權平均數。
變異數 表示分散程度大小的量。把與期望值的差距(離差)平方,再以機率加權取平均。符號是 \(\mathrm{Var}(X)\)。
標準差 變異數的正平方根。和變異數不同,單位與原本的值相同,所以很容易直覺比較分散程度的大小。符號是 \(\sigma(X)\)。
離差 值與期望值的差距 \(x - \mu\)。正負混在一起,直接平均一定是 0,所以變異數要先平方再取平均。
大數法則 試驗的次數越多,實際結果的平均就越接近期望值的法則。是「期望值=重複很多次時平均每一次的值」這個解釋的依據。
離散型隨機變數 像骰子的點數(1~6)這樣,可能的值是不連續的(有限個或整數值)的隨機變數。這個頁面處理的就是這種類型。像身高這樣取連續值的,稱為連續型隨機變數,期望值要用積分計算。

建議先了解的基礎知識

為了讓您「真正理解意義」地使用這個頁面的計算,這裡整理了建議事先理解的基礎知識。
遇到卡關時,回頭複習這張表的內容是最快的捷徑。

機率的基礎(國中九年級~高一,14~16 歲)
  • 知道機率是 0 以上、1 以下的數,表示「發生的可能性」(機率 \(\dfrac{1}{6}\)=大約每 6 次發生 1 次)
  • 能在骰子、硬幣、抽籤這類情境中,數出所有可能的結果來求機率
  • 知道所有情況的機率加起來一定等於 1
分數與小數的計算(國小五年級~國中七年級,10~13 歲)
  • 會算分數的乘法與加法(通分),例如 \(1 \times \dfrac{1}{6} + 2 \times \dfrac{1}{6} = \dfrac{3}{6} = \dfrac{1}{2}\)
  • 能把分數、小數、百分率互換(\(\dfrac{1}{5} = 0.2 = 20\%\))
平均數(國小高年級~高一)
  • 知道平均數=總和 ÷ 個數
  • 能想像「考試平均分數」這種平均,和加權平均(越容易出現的值影響越大)的差別
平方與平方根(國中八年級,13~14 歲)
  • 理解平方(同一個數乘兩次)和它的反運算平方根 \(\sqrt{\phantom{0}}\) 的意義(例如 \(\sqrt{9} = 3\))
  • 知道負數的平方是正數(\((-2)^{2} = 4\))
資料分析(高一「一維數據分析」,15~16 歲)
  • 算過資料的平均數、變異數、標準差(這個頁面是它的「機率分布版本」,在高中選修數學的「隨機變數」單元學到)
  • 知道變異數與標準差是表示「分散程度大小」的量

用 Excel 計算的方法

把下方表格整個複製,貼到 Excel 的 A1 儲存格就能直接使用。
求「期望值 E(X)」的表格(抽獎的例子)
值 x₁(沒中 0 元) 0
機率 p₁ 0.7
值 x₂(獎金 100 元) 100
機率 p₂ 0.2
值 x₃(獎金 500 元) 500
機率 p₃ 0.09
值 x₄(獎金 10,000 元) 10000
機率 p₄ 0.01
機率的總和(確認是否等於 1) =B2+B4+B6+B8
期望值 E(X) =B1*B2+B3*B4+B5*B6+B7*B8
求「變異數 Var(X)」的表格(抽獎的例子)
值 x₁ 0
機率 p₁ 0.7
值 x₂ 100
機率 p₂ 0.2
值 x₃ 500
機率 p₃ 0.09
值 x₄ 10000
機率 p₄ 0.01
期望值 E(X) =B1*B2+B3*B4+B5*B6+B7*B8
平方的平均數 E(X²) =B1^2*B2+B3^2*B4+B5^2*B6+B7^2*B8
變異數 Var(X)=E(X²)−[E(X)]² =B10-B9^2
求「標準差 σ(X)」的表格
變異數 Var(X) 997275
標準差 σ(X)=√Var(X) =SQRT(B1)
貼上後,上方的列(值與機率)是輸入欄,下方的列是自動計算的結果。「*」是乘法,「^2」是平方,SQRT 是求平方根的函數。
第 1 個表格是抽獎的例子(0 元 70%、100 元 20%、500 元 9%、10,000 元 1%),機率的總和是 1,期望值是 165(元)。
第 2 個表格是同一個抽獎的變異數,用平方的平均數 1024500 減去期望值的平方 27225,得到 997275。
第 3 個表格是由這個變異數求標準差的表格,約為 998.64(元)。想增加列數時,請加上值與機率成對的列,並在公式的「B1*B2+…」部分用相同的形式加上去。

用 Google 試算表計算的方法

把下方表格整個複製,貼到 Google 試算表的 A1 儲存格就能直接使用。
求「期望值 E(X)」的表格(抽獎的例子)
值 x₁(沒中 0 元) 0
機率 p₁ 0.7
值 x₂(獎金 100 元) 100
機率 p₂ 0.2
值 x₃(獎金 500 元) 500
機率 p₃ 0.09
值 x₄(獎金 10,000 元) 10000
機率 p₄ 0.01
機率的總和(確認是否等於 1) =B2+B4+B6+B8
期望值 E(X) =B1*B2+B3*B4+B5*B6+B7*B8
求「變異數 Var(X)」的表格(抽獎的例子)
值 x₁ 0
機率 p₁ 0.7
值 x₂ 100
機率 p₂ 0.2
值 x₃ 500
機率 p₃ 0.09
值 x₄ 10000
機率 p₄ 0.01
期望值 E(X) =B1*B2+B3*B4+B5*B6+B7*B8
平方的平均數 E(X²) =B1^2*B2+B3^2*B4+B5^2*B6+B7^2*B8
變異數 Var(X)=E(X²)−[E(X)]² =B10-B9^2
求「標準差 σ(X)」的表格
變異數 Var(X) 997275
標準差 σ(X)=√Var(X) =SQRT(B1)
可以直接使用和 Excel 相同的公式。把表格整個複製、貼到 A1 儲存格,再把值與機率改成自己的數值即可。

用 Python 計算的方法

from fractions import Fraction

# 機率分布表(值與機率的組合)。抽獎的例子:獎金與中獎的機率
# 分數的機率可以寫成 Fraction(1, 6)
values = [Fraction(0), Fraction(100), Fraction(500), Fraction(10000)]
probabilities = [Fraction("0.7"), Fraction("0.2"), Fraction("0.09"), Fraction("0.01")]

# 檢查機率的總和是否等於 1
total = sum(probabilities)
if total != 1:
    raise ValueError(f"機率的總和不等於 1(總和:{total})")

# 期望值 E(X) = Σ x_i p_i
mean = sum(x * p for x, p in zip(values, probabilities))
# 平方的平均 E(X²) 與 變異數 Var(X) = E(X²) − [E(X)]²
mean_of_squares = sum(x * x * p for x, p in zip(values, probabilities))
variance = mean_of_squares - mean * mean
# 標準差 σ(X) = √Var(X)
std_dev = float(variance) ** 0.5

print(f"期望值 E(X):{mean} = {float(mean)}")
print(f"變異數 Var(X):{variance} = {float(variance)}")
print(f"標準差 σ(X):{std_dev}")
使用標準函式庫的 fractions 模組,就能以沒有小數捨入誤差的精確分數計算。這個例子是抽獎(0 元 70%、100 元 20%、500 元 9%、10,000 元 1%)的計算,執行後會顯示期望值 165、變異數 997275、標準差約 998.64。把值與機率改掉後執行即可。

用 LaTeX 等數學式語言的寫法(可直接複製)

期望值(隨機變數的平均數)
E(X) = x₁p₁ + x₂p₂ + … + xₙpₙ
E(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + \cdots + x_n p_n
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>E</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo>
    <mo>=</mo>
    <msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub>
    <mo>+</mo>
    <msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub>
    <mo>+</mo><mo>&#x22EF;</mo><mo>+</mo>
    <msub><mi>x</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>p</mi><mi>n</mi></msub>
  </mrow>
</math>
E(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + cdots + x_n p_n
Total[x*p]
EX := add(x[i]*p[i], i = 1..n);
EX = sum(x .* p);
E(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + … + x_n p_n
變異數(分散程度的大小)
Var(X) = E(X²) − [E(X)]²
\mathrm{Var}(X) = E(X^{2}) - [E(X)]^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>Var</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo>
    <mo>=</mo>
    <mi>E</mi><mo>(</mo><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo>
    <mo>&#x2212;</mo>
    <msup><mrow><mo>[</mo><mi>E</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup>
  </mrow>
</math>
Var(X) = E(X^2) - [E(X)]^2
Total[x^2*p] - Total[x*p]^2
VX := add(x[i]^2*p[i], i = 1..n) - EX^2;
VX = sum(x.^2 .* p) - EX^2;
Var(X) = E(X^2) - [E(X)]^2
標準差
σ(X) = √Var(X)
\sigma(X) = \sqrt{\mathrm{Var}(X)}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>&#x3C3;</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo>
    <mo>=</mo>
    <msqrt><mi>Var</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></msqrt>
  </mrow>
</math>
sigma(X) = sqrt(Var(X))
Sqrt[Total[x^2*p] - Total[x*p]^2]
sigmaX := sqrt(VX);
sigmaX = sqrt(VX);
σ(X) = √(Var(X))

請 ChatGPT  幫忙計算的方法

你是數學(機率、統計)計算的助理。請務必實際執行 Python 程式碼來進行下列計算,並只以執行結果的數值作為回答的依據(請不要用心算或猜測回答)。

隨機變數 X 的機率分布如下表。
值 x:0, 100, 500, 10000
機率 p:0.7, 0.2, 0.09, 0.01

請分別列出下列內容。
1. 確認機率的總和是否等於 1
2. 期望值 E(X)(請同時以最簡分數或整數,以及小數表示)
3. 變異數 Var(X)(使用公式 E(X²) − [E(X)]²,並列出 E(X²) 的值)
4. 標準差 σ(X)(以小數表示)

在 Python 中請使用標準函式庫的 fractions 模組精確計算,並列出計算時使用的公式與執行結果的數值。

使用方法
  1. 1
    輸入數值
    在輸入欄中輸入要計算的數值
  2. 2
    計算
    按下「計算」按鈕
  3. 3
    查看結果
    計算結果會立即顯示。計算的思路和公式的解說,也都能在同一個頁面查看
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