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数学B

確率かくりつ分布ぶんぷ (連続れんぞく正規せいき分布ぶんぷ)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 5 しょうさんつづき、 このしょうでは 連続型確率分布れんぞくがたかくりつぶんぷまなびます。 身長しんちょうたいじゅうのように 「どんなあたいでもりえる」 りょうあつかどうです。

  • 確率密度関数かくりつみつどかんすう f(x)f(x)意味いみ
  • れんぞくかたたいあたいぶんさん (せきぶんてい)
  • 正規分布せいきぶんぷ N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)かたちせいしつ
  • 標準正規分布ひょうじゅんせいきぶんぷ N(0,1)N(0, 1)標準化ひょうじゅんか
  • 標準正規分布表ひょうじゅんせいきぶんぷひょうかた
  • 二項分布にこうぶんぷ \to 正規分布せいきぶんぷ近似きんじ

ポイント: れんぞくかたでは 「ピンポイントの確率かくりつ P(X=x)P(X = x)」 は 0 で、 「P(aXb)P(a \leq X \leq b)」 という 区間くかん確率かくりつ使つかいます。 このはっそうえがだい一関いちぜきもん

1. 連続れんぞくがた確率かくりつ変数へんすう

確率かくりつ密度みつど関数かんすう

確率密度関数かくりつみつどかんすう f(x)f(x) とは、 確率かくりつ面積めんせきあらわすときの たかかん [a,b][a, b] での確率かくりつ

P(aXb)=abf(x)dxP(a \leq X \leq b) = \int_{a}^{b} f(x) \, dx

確率かくりつ密度みつど関数かんすう条件じょうけん

じょうけん意味いみ
f(x)0f(x) \geq 0たかさはでない
f(x)dx=1\int_{-\infty}^{\infty} f(x) \, dx = 1ぜんたい面積めんせきは 1

ピンポイントの確率かくりつは 0

P(X=a)=aaf(x)dx=0P(X = a) = \int_{a}^{a} f(x) \, dx = 0

れんぞくかたでは \leq<<べつけっえいきょうしない

連続れんぞくがた期待きたい分散ぶんさん

E[X]=xf(x)dxE[X] = \int_{-\infty}^{\infty} x f(x) \, dx V[X]=(xE[X])2f(x)dx=E[X2](E[X])2V[X] = \int_{-\infty}^{\infty} (x - E[X])^2 f(x) \, dx = E[X^2] - (E[X])^2

大事だいじ: さん型では \sumれんぞくかたでは \int と、 ざんせきぶんわるだけたいあたいぶんさんがいねんたいおなじ。

2. 一様いちよう分布ぶんぷ (もっとも単純たんじゅんれい)

かん [a,b][a, b]いっていたかさをぶん一様分布いちようぶんぷ U(a,b)U(a, b)び、 確率かくりつ密度みつど

f(x)={1ba(axb)0(x<a ま た は x>b)f(x) = \begin{cases} \dfrac{1}{b - a} & (a \leq x \leq b) \\ 0 & (x < a \text{ ま た は } x > b) \end{cases}

区間くかん[a,b][a, b]がいでは f(x)=0f(x) = 0 であることに注意ちゅういしましょう ([a,b][a, b]上だけいち定値ていちをとる)。

期待値きたいち分散ぶんさん

E[X]=a+b2,V[X]=(ba)212E[X] = \frac{a + b}{2}, \quad V[X] = \frac{(b - a)^2}{12}

3. 正規せいき分布ぶんぷN(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)

確率かくりつ密度みつど関数かんすう

統計とうけいがく中心ちゅうしんにある 正規分布せいきぶんぷ (ガウス分布がうすぶんぷ) は、 平均へいきんμ\mu分散ぶんさんσ2\sigma^2ち、 確率かくりつ密度みつど関数かんすう

f(x)=12πσexp((xμ)22σ2)f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\, \sigma} \exp\left( -\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2} \right)

正規せいき分布ぶんぷかたち性質せいしつ

  • 釣鐘型つりがねがた (ベルカーブべるかーぶ) でゆうたいしょう
  • 中心ちゅうしんμ\mu最大さいだいμ±σ\mu \pm \sigma変曲点へんきょくてん
  • σ\sigmaちいさいほど ほそたかおおきいほど ひろひく

「68 - 95 - 99.7」 の法則ほうそく

区間くかんふくまれる確率かくりつ (近似きんじ)
[μσ,μ+σ][\mu - \sigma, \mu + \sigma]やく 68 %
[μ2σ,μ+2σ][\mu - 2\sigma, \mu + 2\sigma]やく 95 %
[μ3σ,μ+3σ][\mu - 3\sigma, \mu + 3\sigma]やく 99.7 %

大事だいじ:3σ3\sigma を超ることは 1000 かいやく 3 かい以下いか」 → こうぎょう製品せいひん品質管理ひんしつかんり で 「3σ3\sigma ライン」 が標準ひょうじゅん

4. 標準ひょうじゅん標準ひょうじゅん正規せいき分布ぶんぷ

標準ひょうじゅん (z スコア)

にんせいぶん標準正規分布ひょうじゅんせいきぶんぷ N(0,1)N(0, 1)なおそう標準化ひょうじゅんかぶ。

Z=XμσZ = \frac{X - \mu}{\sigma}

すると E[Z]=0E[Z] = 0V[Z]=1V[Z] = 1 となり、 平均へいきん 0、 分散ぶんさん 1標準ひょうじゅんがたそろう。

標準ひょうじゅん正規せいき分布ぶんぷひょうかた

統計とうけいひょう (教科書きょうかしょ巻末かんまつ) には P(0Zz)P(0 \leq Z \leq z)あたいっている。 れい:

zzP(0Zz)P(0 \leq Z \leq z)
0.50.1915
1.00.3413
1.50.4332
1.960.4750
2.00.4772
2.580.4951

P(1Z1)=2×0.3413=0.6826P(-1 \leq Z \leq 1) = 2 \times 0.3413 = 0.6826 ≈ 68 %

例題れいだい 1

身長しんちょうN(170,102)N(170, 10^2) (平均へいきん 170 cm、 標準偏差ひょうじゅんへんさ 10 cm) にしたが集団しゅうだんで、 身長しんちょうが 180 cm 以上いじょうひとわりあいもとめよ。

かい: X=180X = 180標準化ひょうじゅんかすると

Z=18017010=1Z = \frac{180 - 170}{10} = 1

P(Z1)=0.5P(0Z1)=0.50.3413=0.1587P(Z \geq 1) = 0.5 - P(0 \leq Z \leq 1) = 0.5 - 0.3413 = 0.1587

やく 15.9 %

5. こう分布ぶんぷ正規せいき分布ぶんぷ関係かんけい

中心ちゅうしん極限きょくげん定理ていり (簡略かんりゃく)

XB(n,p)X \sim B(n, p)nnおおきいとき、 XXぶんせいぶん N(np,np(1p))N(np, np(1-p))きんできる。

例題れいだい 2

B(100,0.5)B(100, 0.5) (コインこいんを 100 かいげたひょう回数かいすう) で、 ひょうが 60 かい以上いじょう確率かくりつきんせよ。

かい: μ=np=50\mu = np = 50σ=np(1p)=25=5\sigma = \sqrt{np(1-p)} = \sqrt{25} = 5

X=60X = 60標準ひょうじゅんすると Z=(6050)/5=2Z = (60 - 50) / 5 = 2

P(X60)P(Z2)=0.50.4772=0.0228P(X \geq 60) \approx P(Z \geq 2) = 0.5 - 0.4772 = 0.0228

やく 2.3 %

大事だいじ: こうぶんべつ確率かくりつけいさんするのはたいへん (組合せくみあわせ nCk_n C_kる) ですが、 せいぶんきん一気いっきにラクになります。 これはだい 7 しょうまな統計的推定とうけいてきすいていばんでもあります。

6. まとめ

がいねんれんぞくかた
確率かくりつP(aXb)=abf(x)dxP(a \leq X \leq b) = \int_a^b f(x) \, dx
期待きたいE[X]=xf(x)dxE[X] = \int x f(x) \, dx
分散ぶんさんV[X]=E[X2](E[X])2V[X] = E[X^2] - (E[X])^2
正規せいき分布ぶんぷN(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)f(x)=12πσexp((xμ)22σ2)f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right)
標準ひょうじゅんZ=(Xμ)/σZ = (X - \mu) / \sigma

7. もうすこ練習れんしゅう

例題れいだい 3 (両側りょうがわ確率かくりつ)

XN(50,102)X \sim N(50, 10^2) のとき、 40X6540 \leq X \leq 65 となる確率かくりつもとめよ。

かい: 標準ひょうじゅん

Z1=405010=1,Z2=655010=1.5Z_1 = \frac{40 - 50}{10} = -1, \quad Z_2 = \frac{65 - 50}{10} = 1.5 P(40X65)=P(1Z1.5)=P(0Z1)+P(0Z1.5)P(40 \leq X \leq 65) = P(-1 \leq Z \leq 1.5) = P(0 \leq Z \leq 1) + P(0 \leq Z \leq 1.5) =0.3413+0.4332=0.7745= 0.3413 + 0.4332 = 0.7745

やく 77 %

例題れいだい 4 (上位じょういなに %)

ある試験しけん得点とくてんN(60,152)N(60, 15^2)したがうとき、 じょう 5 % にはいるにはなんてん以上いじょう必要ひつようか。

かい: P(Zz)=0.05P(Z \geq z) = 0.05 となる zz標準ひょうじゅん正規せいき分布ぶんぷひょうから z=1.645z = 1.645 (上側うわがわ 5% てん)。

X=μ+zσ=60+1.64515=60+24.67584.7 点 以 上X = \mu + z \sigma = 60 + 1.645 \cdot 15 = 60 + 24.675 \approx 84.7 \text{ 点 以 上}

やく 85 てん ればじょう 5 % にはいる。

大事だいじ: この 「標準ひょうじゅんしてひょうながれは 統計とうけいがくほん動作どうさ受験じゅけん偏差値へんさち (T=10Z+50T = 10Z + 50) もおなはっそうけいさんされています。

しょう: だい 7 しょうでは 統計的推定とうけいてきすいていまなび、 標本平均ひょうほんへいきん から 母平均ぼへいきん信頼区間しんらいくかん推定すいていする方法ほうほうにつけます。 せいぶん主役しゅやくになります。

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