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 克。抽了 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 袋大米的柱状分布与钟形轮廓:

重量(克) 袋数
低于
及以上
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想一想

再随手拿一袋,重量在 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。 有 袋, 有 袋,合起来 袋,频率 ,用它估计概率约 。

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 也不是巧合,后面会看到。

第 2 步

讲清楚

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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。

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2. 正态分布色彩语义主公式与 3σ 原则

想一想

自己试试:, 的标准差是?

看答案与解析

答案:B

B。括号里第二个数是方差 ,标准差 。选 A 是把方差当成了标准差,这是最常见的错; 是均值。

想一想

自己试试:,。 是?

看答案与解析

答案:B

B。 和 关于 对称,;; 到 是它的一半,。选 C 的同学停在了 ,忘了只要右半边。

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3. 三步破题思维链例题

想一想

自己试试:, 约是?

看答案与解析

答案:A

A。,。 外面一共约 ,右边一半约 。选 B 忘了除以 ;选 D 是错用了 那一行。

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4. 三大翻车现场红绿对比卡

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第 3 步

动手

① 正态曲线:调 、,拖 、 看面积

拖横轴上的圆点 、(或选中后按方向键),阴影面积就是 。点下面的按钮一键设成 、、,再调 、:面积不变。把 调到最小,看最高点有多高。

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② 进阶:增加样本有助于观察分布; 外也可能出现

下面的大米重量是电脑按 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 ( 克)外面的袋子。

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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

  1. ,且 。?
看答案与解析

答案:B

B。左边 的尾巴和右边 的尾巴一样大,说明 和 关于对称轴 对称,。选 D 是把 忘了除以 。

想一想

  1. 某次考试 人参加,题目给出成绩 。 分以上的大约有多少人?
看答案与解析

答案:A

A。,。 外约 ,右边一半约 ,。选 B 没除以 ;选 C 用的是 那一行;选 D 用的是 。

易错

想一想

  1. ,它的曲线在 处最高,高约 。 是?
看答案与解析

答案:C

C。概率是面积,不是高度。 比 还大,本来就不可能是概率。「」只是一个点,没有宽度,面积为 。

B 是 ,D 是 ,都是一段,不是一个点。

想一想

  1. 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

  1. 一条生产线上零件长度 ,一直运行正常。今天抽检,有一个零件落在 外。下面哪个说法对?
看答案与解析

答案:B

B。 外的概率约 ,很小但不是 :正常机器做 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

  1. 某种灯泡的寿命 (单位:小时,题设)。买一只,寿命在 小时之间的概率约是?
看答案与解析

答案:A

A。:,,左右不一样宽,以 为界拆成两块:

左块 是 的一半,约 ;右块 是 的一半,约 。合计约 。

B、C 只用了一边的数;D 是 ,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 ,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 。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 ;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 服从正态分布 ,且 ,则 ______。

答案与解析

答案:

思路

均值2是对称中心,右半边的总概率为 。

  1. 利用对称性

    正态分布关于均值2对称且为连续分布,故 。

  2. 拆分互斥事件

    事件 恰分成 与 两互斥部分,所以

  3. 求尾概率

    得到

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。