答えを見る 答え 閉じる 標準化した値を使って、標準正規分布表からそれぞれの数値を読み取ります。基準化した値 は次の式から計算できます。 1: =172として標準化すると、 となります。このとき、標準正規分布に従う が0以上の値をとる確率 は標準正規分布表より0. 5です。 が0以下の値をとる確率 は余事象から と求められます。したがって、身長が正規分布に従うとき、平均身長以下の人は50%となります。 2:平均±1標準偏差となる身長は、それぞれ 、 となります。この値を標準化すると、 と であることから、求める確率は となります。標準正規分布は に対して左右対称であることから、次のように変形することができます。 また、累積分布関数の性質から、 は次のように変形することができます。 標準正規分布表から、 と となる確率を読み取ると、それぞれ「0. 5」、「0. 1587」です。以上から、 は次のように求められます。 日本人男性の身長が正規分布に従う場合、平均身長から1標準偏差の範囲におよそ70%の人がいることが分かりました。これは正規分布に関わる重要な性質で、覚えておくと便利です。 3: =180として標準化すると、 =1. 45となります。対応する値を標準正規分布表から読み取ると、「0. 0735」です。したがって、180cm以上の高身長の男性は、全体の7. 4%しかいないことが分かります。
5\) となる \(P(Z \geq 0) = P(Z \leq 0) = 0. 5\) 直線 \(z = 0\)(\(y\) 軸)に関して対称で、\(y\) は \(z = 0\) で最大値をとる \(P(0 \leq Z \leq u) = p(u)\) は正規分布表を利用して求められる 平均がど真ん中なので、面積(確率)も \(y\) 軸を境に対称でわかりやすいですね!
1 正規分布を標準化する まずは、正規分布を標準正規分布へ変換します。 \(Z = \displaystyle \frac{X − 15}{3}\) とおくと、\(Z\) は標準正規分布 \(N(0, 1)\) に従う。 STEP. 2 X の範囲を Z の範囲に変換する STEP. 1 の式を使って、問題の \(X\) の範囲を \(Z\) の範囲に変換します。 (1) \(P(X \leq 18)\) \(= P\left(Z \leq \displaystyle \frac{18 − 15}{3}\right)\) \(= P(Z \leq 1)\) (2) \(P\left(12 \leq X \leq \displaystyle \frac{57}{4}\right)\) \(= P\left(\displaystyle \frac{12 − 15}{3} \leq Z \leq \displaystyle \frac{\frac{57}{4} − 15}{3}\right)\) \(= P(−1 \leq Z \leq −0. 25)\) STEP. 3 Z の範囲を図示して求めたい確率を考える 簡単な図を書いて、\(Z\) の範囲を図示します。 このとき、正規分布表のどの値をとってくればよいかを検討しましょう。 (1) \(P(Z \leq 1) = 0. 5 + p(1. 00)\) (2) \(P(−1 \leq Z \leq −0. 25) = p(1. 00) − p(0. 4 正規分布表の値を使って確率を求める あとは、正規分布表から必要な値を取り出して足し引きするだけです。 正規分布表より、\(p(1. 00) = 0. 3413\) であるから \(\begin{align}P(X \leq 18) &= 0. 00)\\&= 0. 5 + 0. 3413\\&= 0. 8413\end{align}\) 正規分布表より、\(p(1. 3413\), \(p(0. 25) = 0. 0987\) であるから \(\begin{align}P\left(12 \leq X \leq \displaystyle \frac{57}{4}\right) &= p(1. 25)\\&= 0. 3413 − 0. 0987\\&= 0. 2426\end{align}\) 答え: (1) \(0.
さて、連続型確率分布では、分布曲線下の面積が確率を示すので、確率密度関数を定積分して確率を求めるのでしたね。 正規分布はかなりよく登場する確率分布なのに、毎回 \(f(x) = \displaystyle \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{− \frac{(x − m)^2}{2\sigma^2}}\) の定積分をするなんてめちゃくちゃ大変です(しかも高校レベルの積分の知識では対処できない)。 そこで、「 正規分布を標準化して、あらかじめ計算しておいた確率(正規分布表)を利用しちゃおう! 」ということになりました。 \(m\), \(\sigma\) の値が異なっても、 縮尺を合わせれば対応する範囲の面積(確率)は等しい からです。 そうすれば、いちいち複雑な関数を定積分しないで、正規分布における確率を求められます。 ここから、正規分布の標準化と正規分布表の使い方を順番に説明していきます。 正規分布の標準化 ここでは、正規分布の標準化について説明します。 さて、\(m\), \(\sigma\) がどんな値の正規分布が一番シンプルで扱いやすいでしょうか?
9}{5. 4}\) とおくと、\(Z\) は標準正規分布 \(N(0, 1)\) に従う。 \(\begin{align}P(X \geq 180) &= P\left(Z \geq \displaystyle \frac{180 − 171. 4}\right)\\&= P\left(Z \geq \displaystyle \frac{8. 1}{5. 4}\right)\\&≒ P(Z \geq 1. 5)\\&= 0. 5 − p(1. 5 − 0. 4332\\&= 0. 0668\end{align}\) \(400 \times 0. 0668 = 26. 72\) より、求める生徒の人数は約 \(27\) 人 答え: 約 \(27\) 人 身長が \(x \ \mathrm{cm}\) 以上であれば高い方から \(90\) 人の中に入るとする。 ここで、 \(\displaystyle \frac{90}{400} = 0. 225 < 0. 5\) より、 \(P(Z \geq u) = 0. 225\) とすると \(\begin{align}P(0 \leq Z \leq u) &= 0. 5 − P(Z \geq u)\\&= 0. 225\\&= 0. 275\end{align}\) よって、正規分布表から \(u ≒ 0. 755\) これに対応する \(x\) の値は \(0. 755 = \displaystyle \frac{x − 170. 4}\) \(\begin{align}x &= 0. 755 \cdot 5. 4 + 170. 9\\&= 4. 077 + 170. 9\\&= 174. 977\end{align}\) したがって、\(175. 0 \ \mathrm{cm}\) 以上あればよい。 答え: \(175. 0 \ \mathrm{cm}\) 以上 計算問題②「製品の長さと不良品」 計算問題② ある製品 \(1\) 万個の長さは平均 \(69 \ \mathrm{cm}\)、標準偏差 \(0. 4 \ \mathrm{cm}\) の正規分布に従っている。長さ \(70 \ \mathrm{cm}\) 以上の製品を不良品とみなすとき、この \(1\) 万個の製品の中には何個の不良品が含まれると予想されるか。 標準正規分布を用いて不良品の割合を調べ、予想個数を求めましょう。 製品の長さ \(X\) は正規分布 \(N(69, 0.
正規分布 正規分布を標準正規分布に変形することを、 標準化 といいます。 (正規分布について詳しく知りたい方は 正規分布とは? をご覧ください。) 正規分布を標準化する式 確率変数\(X\)が正規分布\(N(μ, σ^2)\)に従うとき、 $$ Z = \frac{X-μ}{σ} $$ と変換すると、\(Z\)は標準正規分布\(N(0, 1)\)(平均0, 分散1)に従います。 標準正規分布の確率密度関数 $$ f(X) = \frac{1}{\sqrt{2π}}e^{-\frac{x^2}{2}}$$ 正規分布を標準化する意味 標準正規分布表 をご存知でしょうか?下図のようなものです。何かとよく使うこの表ですが、すべての正規分布に対して用意するのは大変です(というか無理です)。そこで、他の正規分布に関しては標準化によって標準正規分布に直してから、標準正規分布表を使います。 正規分布というのは、実数倍や平行移動を同じものと考えると、一種類しかありません。なので、どの正規分布も標準化によって、標準正規分布に変換できます。そういうわけで、表も 標準正規分布表 一つで十分なのです。 標準化を使った例題 例題 とある大学の男子について身長を調査したところ、平均身長170cm、標準偏差7の正規分布に従うことが分かった。では、身長165cm~175cmの人の数は全体の何%占めるか? 解説 この問題を標準化によって解く。身長の確率変数をXと置く。平均170、標準偏差7なので、Xを標準化すると、 $$ Z = \frac{X-170}{7} $$ となる。よって \begin{eqnarray}165≦X≦175 &⇔& \frac{165-170}{7}≦Z≦\frac{175-170}{7}\\\\&⇔&-0. 71≦Z≦0. 71\end{eqnarray} であるので、標準正規分布が-0. 71~0. 71の値を取る確率が答えとなる。 これは 標準正規分布表 より、0. 5223と分かるので、身長165cm~175cmの人の数は全体の52. 23%である。 ちなみに、この例題では身長が正規分布に従うと仮定していますが、身長が本当に正規分布に従うかの検証を、 【例】身長の分布は本当に正規分布に従うのか!? で行なっております。興味のある方はお読みください。 標準化の証明 初めに標準化の式について触れましたが、どうしてこのような式になるのか、証明していきます。 証明 正規分布の性質を利用する。 正規分布の性質1 確率変数\(X\)が正規分布\(N(μ, σ^2)\)に従うとき、\(aX+b\)は正規分布\(N(aμ+b, a^2σ^2)\)に従う。 性質1において\(a = \frac{1}{σ}, b= -\frac{μ}{σ}\)とおけば、 $$ N(aμ+b, a^2σ^2) = N(0, 1) $$ となるので、これは標準正規分布に従う。また、このとき $$ aX+b = \frac{X-μ}{σ} $$ は標準正規分布に従う。 まとめ 正規分布を標準正規分布に変換する標準化についていかがでしたでしょうか。証明を覚える必要まではありませんが、標準化の式は使えるようにしておきたいところです。 余力のある人は是非証明を自分でやってみて、理解を深めて見てください!
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