Нормальное распределение
Среднее и стандартное отклонение, стандартизация, площади под кривой и границы нормальной модели.
Чему научимся
Стандартизация Z = (X − μ)/σ сводит интервальные вероятности разных нормальных моделей к одной функции распределения Φ (CDF) и позволяет осмысленно сравнивать отклонения от центра.
Главная идея. Нормальный закон N(μ,σ²) — симметричная непрерывная модель на всей прямой: μ задаёт центр, а положительное σ — стандартное отклонение и ширину колокола.
План рассуждения и проверка понимания
- Уточните соглашение параметров: в записи N(μ,σ²) второй аргумент — дисперсия, а в поле стандартного отклонения (sd) обычно вводят само σ.
- Переведите каждую границу интервала в z-оценку (x − μ)/σ, сохраняя направление неравенства при положительном σ.
- Для интервала вычтите значения Φ на стандартизованных границах; для правого хвоста используйте 1 − Φ(z), не принимая значение плотности (PDF) за вероятность.
- Проверьте симметрию относительно μ и здравый смысл носителя: нормальная модель всегда оставляет некоторую массу на отрицательной полуоси.
Частая ошибка. Подставлять дисперсию вместо σ при стандартизации или считать высоту плотности f(x) вероятностью получить ровно значение x.
Как проверить себя. В знаменателе z-оценки стоит стандартное отклонение. У непрерывного закона P(X = x) = 0, а вероятность интервала равна площади под плотностью.
Наглядная модель: Нормальное распределение
Среднее и стандартное отклонение, стандартизация, площади под кривой и границы нормальной модели.
- Нормальное распределение → нормальное
- Нормальное распределение → Гаусс
- Нормальное распределение → стандартизация
- Нормальное распределение → сигма
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами
Для N(100,15²) объясните переход интервала [85,115] в [−1,1] и почему вероятность около 0,682689 относится к площади, а не к высоте колокола.
В хорошем объяснении есть:
- Обе границы стандартизованы.
- Использована симметрия стандартного закона.
- Правило 68 процентов не объявлено универсальным для любого распределения.
Колокол с двумя параметрами
Нормальная модель описывает непрерывную величину на всей числовой прямой. Параметр μ сдвигает центр, положительный σ регулирует ширину. В исследователе σ означает стандартное отклонение, а не дисперсию: дисперсия равна σ².
Обозначение удобно тем, что второй аргумент сразу показывает дисперсию. Некоторые программы используют пару mean, sd. При переносе параметров обязательно проверьте соглашение, иначе ширина кривой изменится ошибочно.
Площадь и стандартизация
Высота нормальной кривой — плотность. Вероятность попасть в интервал равна площади под ней; шанс получить одно заранее указанное вещественное значение равен нулю. Носитель бесконечен в обе стороны, поэтому нарисованный график всегда показывает только окно.
Для расчётов переходят к . Тогда Z имеет стандартный нормальный закон с центром 0 и σ = 1. Если Φ — его CDF, вероятность [a,b] равна . В очень правом хвосте исследователь вычитает малые хвосты, а не два числа, округлённые к единице.
Три примера
-
Симметрия центра. Для N(10,4), где второй параметр — дисперсия, σ = 2. Половина площади находится левее 10, поэтому P(X ≤ 10) = 0,5. Плотность в центре равна 1/(2√(2π)) ≈ 0,199471, что не равно вероятности самой точки.
-
Одна сигма от центра. Пусть μ = 100, σ = 15. Интервал [85,115] превращается в [−1,1]. Его вероятность приблизительно 0,682689. Это свойство нормальной модели; для произвольного распределения правило 68 % не гарантировано.
-
Высокий порог. При μ = 50, σ = 5 порог 60 соответствует z = 2. Вероятность превысить его равна 1 − Φ(2) ≈ 0,0227501. Для двустороннего выхода за [40,60] по симметрии берём оба хвоста: примерно 0,0455003, а не один.
Почему нормальность не универсальна
Суммы большого числа слабых независимых вкладов часто допускают нормальное приближение при подходящих условиях центральной предельной теоремы. Но положительные, сильно асимметричные или тяжёлохвостые данные могут существенно отличаться от колокола. Похожая гистограмма короткой выборки ещё не доказывает закон.
Нормальный носитель включает отрицательные значения. Для времени ожидания или небольших счётчиков это бывает неприемлемо: даже малая отрицательная вероятность может противоречить смыслу. Следует оценивать пригодность модели, а не выбирать нормальность по привычке.
Эксперимент и хвосты
Измените σ при фиксированном μ: максимум PDF уменьшается, а кривая расширяется, сохраняя площадь 1. Затем включите CDF: её крутизна в центре изменится, но диапазон останется от 0 до 1. Сгенерируйте выборку и сравните эмпирические среднее и дисперсию с μ и σ².
Автоматический масштаб не утверждает, что за его концами ничего нет. Подписи обрезанных хвостов и отдельный расчёт интервала позволяют проверять события далеко за пределами рисунка. Все выводы о реальных данных остаются условными на выбранную нормальную модель.
Формула, смысл и ограничения
Главные формулы с расшифровкой
Формула словами: μ — среднее, σ > 0 — стандартное отклонение.
Формула словами: Стандартизация переводит X в N(0,1).
Формула словами: В обозначении N(μ,σ²) второй параметр — дисперсия. В полях инструмента вводится σ.
Исследуйте модель
Нормальное
σ — стандартное отклонение; дисперсия равна σ². Носитель — вся числовая прямая.
Пределы полей — вычислительные ограничения исследователя, а не область существования математического закона. Носитель: [−∞; +∞].
Форма распределения
Высота кривой — плотность, не вероятность точки. Вероятность интервала равна площади под кривой; плотность может быть больше 1.
За пределами окна: слева 0,5 %, справа 0,5 %. Ось ограничена окном, но CDF, интервалы и генератор используют весь носитель. По умолчанию окно берётся по квантилям 0,005 и 0,995; для конечного непрерывного носителя — весь носитель. Дискретный график ограничен 200 значениями.
Числовая таблица графика (241 точек)
| x | f(x) |
|---|---|
| -2,575829 | 0,01446 |
| -2,554364 | 0,015278 |
| -2,532899 | 0,016136 |
| -2,511434 | 0,017033 |
| -2,489968 | 0,017973 |
| -2,468503 | 0,018955 |
| -2,447038 | 0,019982 |
| -2,425573 | 0,021055 |
| -2,404107 | 0,022175 |
| -2,382642 | 0,023344 |
| -2,361177 | 0,024563 |
| -2,339712 | 0,025834 |
| -2,318246 | 0,027158 |
| -2,296781 | 0,028537 |
| -2,275316 | 0,029973 |
| -2,253851 | 0,031466 |
| -2,232385 | 0,033018 |
| -2,21092 | 0,03463 |
| -2,189455 | 0,036305 |
| -2,16799 | 0,038043 |
| -2,146524 | 0,039846 |
| -2,125059 | 0,041716 |
| -2,103594 | 0,043653 |
| -2,082129 | 0,045658 |
| -2,060663 | 0,047734 |
| -2,039198 | 0,049882 |
| -2,017733 | 0,052101 |
| -1,996268 | 0,054395 |
| -1,974802 | 0,056764 |
| -1,953337 | 0,059208 |
| -1,931872 | 0,061729 |
| -1,910407 | 0,064328 |
| -1,888941 | 0,067005 |
| -1,867476 | 0,069762 |
| -1,846011 | 0,072598 |
| -1,824546 | 0,075515 |
| -1,803081 | 0,078513 |
| -1,781615 | 0,081593 |
| -1,76015 | 0,084754 |
| -1,738685 | 0,087997 |
| -1,71722 | 0,091322 |
| -1,695754 | 0,094729 |
| -1,674289 | 0,098219 |
| -1,652824 | 0,101789 |
| -1,631359 | 0,105441 |
| -1,609893 | 0,109174 |
| -1,588428 | 0,112986 |
| -1,566963 | 0,116878 |
| -1,545498 | 0,120848 |
| -1,524032 | 0,124896 |
| -1,502567 | 0,129019 |
| -1,481102 | 0,133218 |
| -1,459637 | 0,137489 |
| -1,438171 | 0,141833 |
| -1,416706 | 0,146246 |
| -1,395241 | 0,150727 |
| -1,373776 | 0,155273 |
| -1,35231 | 0,159883 |
| -1,330845 | 0,164555 |
| -1,30938 | 0,169284 |
| -1,287915 | 0,17407 |
| -1,266449 | 0,178908 |
| -1,244984 | 0,183796 |
| -1,223519 | 0,18873 |
| -1,202054 | 0,193708 |
| -1,180588 | 0,198725 |
| -1,159123 | 0,203778 |
| -1,137658 | 0,208864 |
| -1,116193 | 0,213978 |
| -1,094727 | 0,219116 |
| -1,073262 | 0,224275 |
| -1,051797 | 0,229448 |
| -1,030332 | 0,234634 |
| -1,008866 | 0,239825 |
| -0,987401 | 0,245019 |
| -0,965936 | 0,25021 |
| -0,944471 | 0,255393 |
| -0,923006 | 0,260564 |
| -0,90154 | 0,265716 |
| -0,880075 | 0,270846 |
| -0,85861 | 0,275948 |
| -0,837145 | 0,281016 |
| -0,815679 | 0,286045 |
| -0,794214 | 0,291031 |
| -0,772749 | 0,295967 |
| -0,751284 | 0,300847 |
| -0,729818 | 0,305668 |
| -0,708353 | 0,310423 |
| -0,686888 | 0,315106 |
| -0,665423 | 0,319713 |
| -0,643957 | 0,324237 |
| -0,622492 | 0,328675 |
| -0,601027 | 0,333019 |
| -0,579562 | 0,337266 |
| -0,558096 | 0,341409 |
| -0,536631 | 0,345444 |
| -0,515166 | 0,349366 |
| -0,493701 | 0,353169 |
| -0,472235 | 0,356849 |
| -0,45077 | 0,360402 |
| -0,429305 | 0,363822 |
| -0,40784 | 0,367106 |
| -0,386374 | 0,370248 |
| -0,364909 | 0,373246 |
| -0,343444 | 0,376094 |
| -0,321979 | 0,37879 |
| -0,300513 | 0,381329 |
| -0,279048 | 0,383708 |
| -0,257583 | 0,385925 |
| -0,236118 | 0,387975 |
| -0,214652 | 0,389857 |
| -0,193187 | 0,391567 |
| -0,171722 | 0,393103 |
| -0,150257 | 0,394464 |
| -0,128791 | 0,395647 |
| -0,107326 | 0,396651 |
| -0,085861 | 0,397474 |
| -0,064396 | 0,398116 |
| -0,04293 | 0,398575 |
| -0,021465 | 0,39885 |
| -4,44089e-16 | 0,398942 |
| 0,021465 | 0,39885 |
| 0,04293 | 0,398575 |
| 0,064396 | 0,398116 |
| 0,085861 | 0,397474 |
| 0,107326 | 0,396651 |
| 0,128791 | 0,395647 |
| 0,150257 | 0,394464 |
| 0,171722 | 0,393103 |
| 0,193187 | 0,391567 |
| 0,214652 | 0,389857 |
| 0,236118 | 0,387975 |
| 0,257583 | 0,385925 |
| 0,279048 | 0,383708 |
| 0,300513 | 0,381329 |
| 0,321979 | 0,37879 |
| 0,343444 | 0,376094 |
| 0,364909 | 0,373246 |
| 0,386374 | 0,370248 |
| 0,40784 | 0,367106 |
| 0,429305 | 0,363822 |
| 0,45077 | 0,360402 |
| 0,472235 | 0,356849 |
| 0,493701 | 0,353169 |
| 0,515166 | 0,349366 |
| 0,536631 | 0,345444 |
| 0,558096 | 0,341409 |
| 0,579562 | 0,337266 |
| 0,601027 | 0,333019 |
| 0,622492 | 0,328675 |
| 0,643957 | 0,324237 |
| 0,665423 | 0,319713 |
| 0,686888 | 0,315106 |
| 0,708353 | 0,310423 |
| 0,729818 | 0,305668 |
| 0,751284 | 0,300847 |
| 0,772749 | 0,295967 |
| 0,794214 | 0,291031 |
| 0,815679 | 0,286045 |
| 0,837145 | 0,281016 |
| 0,85861 | 0,275948 |
| 0,880075 | 0,270846 |
| 0,90154 | 0,265716 |
| 0,923006 | 0,260564 |
| 0,944471 | 0,255393 |
| 0,965936 | 0,25021 |
| 0,987401 | 0,245019 |
| 1,008866 | 0,239825 |
| 1,030332 | 0,234634 |
| 1,051797 | 0,229448 |
| 1,073262 | 0,224275 |
| 1,094727 | 0,219116 |
| 1,116193 | 0,213978 |
| 1,137658 | 0,208864 |
| 1,159123 | 0,203778 |
| 1,180588 | 0,198725 |
| 1,202054 | 0,193708 |
| 1,223519 | 0,18873 |
| 1,244984 | 0,183796 |
| 1,266449 | 0,178908 |
| 1,287915 | 0,17407 |
| 1,30938 | 0,169284 |
| 1,330845 | 0,164555 |
| 1,35231 | 0,159883 |
| 1,373776 | 0,155273 |
| 1,395241 | 0,150727 |
| 1,416706 | 0,146246 |
| 1,438171 | 0,141833 |
| 1,459637 | 0,137489 |
| 1,481102 | 0,133218 |
| 1,502567 | 0,129019 |
| 1,524032 | 0,124896 |
| 1,545498 | 0,120848 |
| 1,566963 | 0,116878 |
| 1,588428 | 0,112986 |
| 1,609893 | 0,109174 |
| 1,631359 | 0,105441 |
| 1,652824 | 0,101789 |
| 1,674289 | 0,098219 |
| 1,695754 | 0,094729 |
| 1,71722 | 0,091322 |
| 1,738685 | 0,087997 |
| 1,76015 | 0,084754 |
| 1,781615 | 0,081593 |
| 1,803081 | 0,078513 |
| 1,824546 | 0,075515 |
| 1,846011 | 0,072598 |
| 1,867476 | 0,069762 |
| 1,888941 | 0,067005 |
| 1,910407 | 0,064328 |
| 1,931872 | 0,061729 |
| 1,953337 | 0,059208 |
| 1,974802 | 0,056764 |
| 1,996268 | 0,054395 |
| 2,017733 | 0,052101 |
| 2,039198 | 0,049882 |
| 2,060663 | 0,047734 |
| 2,082129 | 0,045658 |
| 2,103594 | 0,043653 |
| 2,125059 | 0,041716 |
| 2,146524 | 0,039846 |
| 2,16799 | 0,038043 |
| 2,189455 | 0,036305 |
| 2,21092 | 0,03463 |
| 2,232385 | 0,033018 |
| 2,253851 | 0,031466 |
| 2,275316 | 0,029973 |
| 2,296781 | 0,028537 |
| 2,318246 | 0,027158 |
| 2,339712 | 0,025834 |
| 2,361177 | 0,024563 |
| 2,382642 | 0,023344 |
| 2,404107 | 0,022175 |
| 2,425573 | 0,021055 |
| 2,447038 | 0,019982 |
| 2,468503 | 0,018955 |
| 2,489968 | 0,017973 |
| 2,511434 | 0,017033 |
| 2,532899 | 0,016136 |
| 2,554364 | 0,015278 |
| 2,575829 | 0,01446 |
Точка и интервал
- P(X = -6,95729e-17)
- 0 %
- Плотность f(-6,95729e-17)
- 0,398942
- P(X ≤ -6,95729e-17)
- 50 %
- P(X > -6,95729e-17)
- 50 %
- P(-2,575829 ≤ X ≤ 2,575829)
- 99 %
Границы интервала включены. Для дискретного закона учитываются только целые точки внутри него; для непрерывного включение концов не меняет вероятность.
Что предсказывает модель
- Математическое ожидание E(X)
- 0
- Дисперсия D(X)
- 1
Ожидание — характеристика распределения, а не обещанный результат одного опыта. Конечная выборка имеет своё среднее даже тогда, когда теоретическое среднее не существует.
CDF и правый хвост вычисляются отдельно, чтобы сохранять малые вероятности. Значения ниже предела чисел двойной точности могут округляться до 0; квантили у границ также ограничены машинной точностью.
Сгенерировать выборку
Независимые псевдослучайные наблюдения в отдельном рабочем потоке. Один seed и те же параметры воспроизводят тот же ряд. Это учебный, не криптографический генератор.
Повторить результат по ключу
Кнопка «Сгенерировать» создаёт весь указанный объём. Отдельное наблюдение показывает один результат с анимацией. CSV содержит всю показанную выборку.
Выборка ещё не создана.
От формулы к наблюдению
Попробуйте самостоятельно
Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.
От простого к сложному
Проверьте себя
Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.
Открываем задание…
Открываем задание…
Открываем задание…
Что пригодится
Изучить дальше
Источники и соглашения
Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.