7.5 正态分布
身高、零件尺寸、测量误差……很多量的直方图都是「中间高、两边低、左右对称」。这一节用一条钟形曲线描述它们:概率就是曲线下的面积。
本节知识点正态分布的参数与概率面积正态模型中的3σ原则
第 1 步
从例子进入
一台机器往袋子里装大米,每袋标的是 500 克。抽了 100 袋称重,结果如下(每组含左端、不含右端)。先点下面的按钮看这 100 袋大米的柱状分布与钟形轮廓:
| 重量(克) |
袋数 |
| 低于 496 |
2 |
| 496∼498 |
14 |
| 498∼500 |
34 |
| 500∼502 |
34 |
| 502∼504 |
14 |
| 504 及以上 |
2 |
想一想
再随手拿一袋,重量在 498∼502 克之间的可能性,用这组数据估计大约是多少?
看答案与解析
答案:C
C。498∼500 有 34 袋,500∼502 有 34 袋,合起来 68 袋,频率 0.68,用它估计概率约 68%。
再看整张表:中间多、两边少,左右差不多对称。画成直方图就是一个「钟」。袋数再多、分组再细,直方图的上沿会越来越像一条光滑的钟形曲线。
这一节就讲这条曲线——正态曲线:落在某一段的概率,就是这一段曲线下面的面积。那个 68% 也不是巧合,后面会看到。
第 2 步
讲清楚
1. 先认识几个词
要用到:必修二 9.2 频率分布直方图(回看 9.2);7.3 均值与方差(回看 7.3)。正态分布是自然界中最普遍、最重要的连续型随机变量分布。
2. 正态分布色彩语义主公式与 3σ 原则
想一想
看答案与解析
答案:B
B。括号里第二个数是方差 σ2=9,标准差 σ=9=3。选 A 是把方差当成了标准差,这是最常见的错;10 是均值。
想一想
自己试试:X∼N(1,σ2),P(X<−1)=0.2。P(1<X<3) 是?
看答案与解析
答案:B
B。−1 和 3 关于 x=1 对称,P(X>3)=0.2;P(−1<X<3)=1−0.4=0.6;1 到 3 是它的一半,0.3。选 C 的同学停在了 0.6,忘了只要右半边。
3. 三步破题思维链例题
想一想
自己试试:X∼N(80,25),P(X>85) 约是?
看答案与解析
答案:A
A。σ=25=5,85=μ+σ。μ±σ 外面一共约 1−0.6827=0.3173,右边一半约 0.1587。选 B 忘了除以 2;选 D 是错用了 2σ 那一行。
4. 三大翻车现场红绿对比卡
第 3 步
动手
① 正态曲线:调 μ、σ,拖 a、b 看面积
拖横轴上的圆点 a、b(或选中后按方向键),阴影面积就是 P(a<X<b)。点下面的按钮一键设成 μ±σ、μ±2σ、μ±3σ,再调 μ、σ:面积不变。把 σ 调到最小,看最高点有多高。
② 进阶:增加样本有助于观察分布;3σ 外也可能出现
下面的大米重量是电脑按 N(500,22) 模拟出来的(所以我们知道它是正态;真实数据要先看图再决定能不能用正态)。拖动样本量,观察直方图的随机波动与整体形状;红点是落在 μ±3σ(494∼506 克)外面的袋子。
第 4 步
练一练
从易到难排好了。前两道直接用,中间三道是最常见的错,最后一道是挑战。
直接用
想一想
- X∼N(μ,σ2),且 P(X<1)=P(X>5)。μ=?
看答案与解析
答案:B
B。左边 x<1 的尾巴和右边 x>5 的尾巴一样大,说明 1 和 5 关于对称轴 x=μ 对称,μ=21+5=3。选 D 是把 1+5 忘了除以 2。
想一想
- 某次考试 1000 人参加,题目给出成绩 X∼N(100,102)。120 分以上的大约有多少人?
看答案与解析
答案:A
A。σ=10,120=μ+2σ。μ±2σ 外约 1−0.9545=0.0455,右边一半约 0.0228,1000×0.0228≈23。选 B 没除以 2;选 C 用的是 μ+σ 那一行;选 D 用的是 3σ。
易错
想一想
- X∼N(0,0.22),它的曲线在 x=0 处最高,高约 1.99。P(X=0) 是?
看答案与解析
答案:C
C。概率是面积,不是高度。1.99 比 1 还大,本来就不可能是概率。「X=0」只是一个点,没有宽度,面积为 0。
B 是 P(X≤0),D 是 P(−0.2≤X≤0.2),都是一段,不是一个点。
想一想
- 某市居民月收入的直方图:左边一个高峰,右边拖着很长的尾巴。小明说:「收入服从正态分布,所以收入低于平均数的人正好占一半。」
看答案与解析
答案:B
B。用正态之前先问:是题目给的,还是数据支持的假设?这张图左右不对称,正态的「关于均值对称」不成立。少数很高的收入会把平均数往上拉,低于平均数的人往往超过一半。
C 也错:样本再多,也只是把原来的形状看得更清楚,歪的还是歪的。
想一想
- 一条生产线上零件长度 X∼N(μ,σ2),一直运行正常。今天抽检,有一个零件落在 μ±3σ 外。下面哪个说法对?
看答案与解析
答案:B
B。μ±3σ 外的概率约 0.0027,很小但不是 0:正常机器做 10000 个,平均也有二三十个落在外面。「几乎不可能」不等于「绝不发生」,一次异常是警报,不是证明。可以在「动手」②增加样本或换一批观察;有限一批也可能没有红点。
挑战
想一想
- 某种灯泡的寿命 X∼N(1000,502)(单位:小时,题设)。买一只,寿命在 950∼1100 小时之间的概率约是?
看答案与解析
答案:A
A。σ=50:950=μ−σ,1100=μ+2σ,左右不一样宽,以 μ=1000 为界拆成两块:
左块 950∼1000 是 μ±σ 的一半,约 0.6827÷2=0.34135;右块 1000∼1100 是 μ±2σ 的一半,约 0.9545÷2=0.47725。合计约 0.8186。
B、C 只用了一边的数;D 是 P(X<1050)≈0.5+0.34135,区间看错了。
第 5 步
高考真题
先独立作答,做完再对照分步解析。选择题点选项自动判对错;填空题写法不同时,看答案自己判。要用到后面章节的题收在最后,学到那里再做。
2021 新高考Ⅱ卷 第 6 题 · 单选
某物理量的测量结果服从正态分布 N(10,σ2),下列结论中不正确的是( )。
看答案与解析
答案:D
均值10决定对称轴,σ只改变分布的集中程度。
核对 A
令Z=(X−10)/σ,则A中的概率为 P(∣Z∣<0.1/σ)。σ减小时区间扩大,概率增大,所以A正确。
核对 B、C
正态分布关于10对称,故 P(X>10)=1/2;9.99与10.01关于10对称,左右尾概率相等。两结论对任意σ>0成立。
比较 D 的两区间
两个区间共有(10,10.2),除去后比较(9.9,10)与(10.2,10.3)。前者与(10,10.1)概率相等,且比距离均值更远的(10.2,10.3)概率大。故D声称的相等不成立,选 D。
正态分布的概率不仅看区间长度,还要看区间距均值的位置。
2022 新高考Ⅱ卷 第 13 题 · 填空
已知随机变量 X 服从正态分布 N(2,σ2),且 P(2<X≤2.5)=0.36,则 P(X>2.5)=______。
答案与解析
答案:0.14
思路
- 利用对称性
正态分布关于均值2对称且为连续分布,故 P(X>2)=21。
- 拆分互斥事件
事件 {X>2} 恰分成 {2<X≤2.5} 与 {X>2.5} 两互斥部分,所以0.5=0.36+P(X>2.5).
- 求尾概率
得到P(X>2.5)=0.5−0.36=0.14.
易错点
- 从总概率1直接减0.36。
- 将0.36错当成到2.5的累计概率。
小结
正态分布先围绕均值拆成左右各半,再用加减关系求区间概率。