正在阅读《第20讲 在抛硬币或天体观测时观察到的“正态分布”》
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接下来,用形象的方式来说明“分散”“扩大”的概念。由于平均值μ位于概率分布图顶点的位置,因此,最容易观察到数值。因而,如果被问到“你能预言可以观察到什么吗”的时候,回答“我可以预言在‘μ附近’”,是比较稳妥的。但是,若说这个预言的准确度如何,则要依存于“分散”“扩大”的程度。如果是分布的状态为山顶高、山脚低,那么由于μ附近的数值容易被观察到,则预言的准确度相对较高。但如果分布的状态为山顶低、山脚高,那么反而会观察到,远离μ的数值出现的频率高。因此,偏离预言的可能性就会增高,导致准确度降低。

也就是说,我们可以想象为,标准偏差σ表示的是“从观察值的平均值中,误差/偏差的程度”的指标。本书后面不对标准偏差进行更深入的探讨,如果想了解更多内容,可以参考相关书目《完全自学 统计学入门》(详见参考文献⑨)。

那么,只要确定μ和σ,就能决定一个一般的正态分布。尤其是标准正态分布,它对应μ=0、σ=1。

用σ=2、μ=3来举例说明上述内容,则如图表20-3所示。

图表20-3 一般的正态分布

上方部分为标准正态分布的分布图,顶点在x=0的位置,扩大宽度为1。下方左侧的图像为,将该标准正态分布向左右两侧扩大2倍之后得到的图像。此时,函数图像的倾斜度稍微平缓了一些。为了保证总面积为1,其对应的x位置的高度同样需要变为1/2。通过这个操作,可以得出标准偏差σ=2的正态分布(平均值μ保持为0不变)。下方右侧的图为,将该图像向右平行移动+3后得到的图像。那么顶点自然变为了x=3所对应的位置。通过这个操作,可以得出平均值μ=3的正态分布。按照这样的方式,可以得到μ=3、σ=2的正态分布的概率分布图。

综上,可以得出以下结论:

一般正态分布的性质

?只要赋予平均值μ和标准偏差σ,就能确定一个正态分布。

?μ的含义为分布的平均值。表示为图表的顶点位置,因此也是挑担人偶的平衡支点。

?σ表示分布的标准偏差。即表示图表左右扩大多少,其含义是分布的“扩大”“分布”。

?标准正态分布是指μ=0、σ=1的情况。平均值μ、标准偏差σ的正态分布的分布图,是在不改变标准正态分布的分布图面积的情况下,左右延长σ倍,y方向延长1/σ倍,并且只在x方向上平行移动μ。

20-4 将一般正态分布概率转换为标准正态分布形式

若已知标准正态分布的概率,就能很容易地计算出一般正态分布的概率。

下面我们来进行实际操作:例如,在μ=3、σ=2的正态分布中,计算在1≤x≤5的范围中观察到x的概率。

正如刚才的解说,标准正态分布(μ=0、σ=1的正态分布)的图像,是左右扩大2倍,同时横向平行移动+3后得到的。因此,如果把它调转过来,即横向平行移动-3,同时左右缩小1/2,就能恢复到标准正态分布的状态。

也就是说,把变量x变形为z=(x-3)/2,变量z就会成为遵循标准正态分布的变量。于是可以得到:

1≤x≤5

→1-3≤x-3≤5-3

→-2≤x-3≤2

→-2/2≤(x-3)/2≤2/2

从这个变形中,又可以得到:

用概率的符号进行表示,则为:

因此,在μ=3、σ=2的正态分布中,计算在1≤x≤5的范围中观察到x的概率,与在标准正态分布中观察满足-1≤z≤1的z的概率是相同的。换言之,这个概率,与20-2中所出的结果是一样的,即约为0.6826。

p(1≤x≤5)≈0.6826

20-5 正态分布的多个观测值的平均值为正态分布

正态分布具有以下神奇的性质:

正态分布观测结果的平均值具有何种性质

根据平均值μ、标准偏差σ的正态分布观测到n个数值,取平均值记为x,即

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