知识讲解-正态分布(理)

第1页共10页正态分布【学习目标】1.了解正态分布曲线的特点及曲线所表示的意义。2.了解正态曲线与正态分布的性质。【要点梳理】要点诠释：要点一、概率密度曲线与概率密度函数1．概念：对于连续型随机变量X，位于x轴上方，X落在任一区间（a，b]内的概率等于它与x轴、直线xa与直线xb所围成的曲边梯形的面积（如图阴影部分），这条概率曲线叫做X的概率密度曲线，以其作为图象的函数()fx叫做X的概率密度函数。2、性质：①概率密度函数所取的每个值均是非负的。②夹于概率密度的曲线与x轴之间的“平面图形”的面积为1③()PaXb的值等于由直线xa，xb与概率密度曲线、x轴所围成的“平面图形”的面积。要点二、正态分布1.正态变量的概率密度函数正态变量的概率密度函数表达式为：22()2,1()(R)2xxex，（0,）其中x是随机变量的取值；μ为正态变量的期望；是正态变量的标准差.2．正态分布（1）定义如果对于任何实数,()abab随机变量X满足：,()()baPaXbxdx，则称随机变量X服从正态分布。记为2(,)XN。（2）正态分布的期望与方差若2(,)XN，则X的期望与方差分别为：EX，2DX。要点诠释：（1）正态分布由参数和确定。第2页共10页参数是均值，它是反映随机变量取值的平均水平的特征数，可用样本的均值去估计。是标准差，它是衡量随机变量总体波动大小的特征数，可以用样本的标准差去估计。（2）经验表明，一个随机变量如果是众多的、互不相干的、不分主次的偶然因素作用结果之和，它就服从或近似服从正态分布．在现实生活中，很多随机变量都服从或近似地服从正态分布．例如长度测量误差；某一地区同年龄人群的身高、体重、肺活量等；一定条件下生长的小麦的株高、穗长、单位面积产量等；正常生产条件下各种产品的质量指标（如零件的尺寸、纤维的纤度、电容器的电容量、电子管的使用寿命等）；某地每年七月份的平均气温、平均湿度、降雨量等；一般都服从正态分布．要点三、正态曲线及其性质：1.正态曲线如果随机变量X的概率密度函数为22()21()(R)2xfxex，其中实数和为参数（0,），则称函数()fx的图象为正态分布密度曲线，简称正态曲线。2．正态曲线的性质：①曲线位于x轴上方，与x轴不相交；②曲线是单峰的，它关于直线x对称；③曲线在x时达到峰值12；④当x时，曲线上升；当x时，曲线下降.并且当曲线向左、右两边无限延伸时，以x轴为渐近线，向它无限靠近.⑤曲线与x轴之间的面积为1；⑥决定曲线的位置和对称性；当一定时，曲线的对称轴位置由确定；如下图所示，曲线随着的变化而沿x轴平移。⑦确定曲线的形状；当一定时，曲线的形状由确定。越小，曲线越“高瘦”，表示总体的分布越集中；越大，曲线第3页共10页越“矮胖”，表示总体的分布越分散。如下图所示。要点诠释：性质①说明了函数具有值域（函数值为正）及函数的渐近线（x轴）．性质②并且说明了函数具有对称性；性质③说明了函数在x=时取最值；性质⑦说明越大，总体分布越分散，越小，总体分布越集中．要点四、求正态分布在给定区间上的概率1.随机变量取值的概率与面积的关系若随机变量ξ服从正态分布2(,)N，那么对于任意实数a、b（a＜b），当随机变量ξ在区间（a，b]上取值时，其取值的概率与正态曲线与直线x=a，x=b以及x轴所围成的图形的面积相等．如图（1）中的阴影部分的面积就是随机变量孝在区间（a，b]上取值的概率．一般地，当随机变量在区间（－∞，a）上取值时，其取值的概率是正态曲线在x=a左侧以及x轴围成图形的面积，如图（2）．随机变量在（a，+∞）上取值的概率是正态曲线在x=a右侧以及x轴围成图形的面积，如图（3）．根据以上概率与面积的关系，在有关概率的计算中，可借助与面积的关系进行求解．2、正态分布在三个特殊区间的概率值：()0.683PX；(22)0.954PX；(33)0.997PX。上述结果可用下图表示：第4页共10页要点诠释：若随机变量X服从正态分布2(,)N，则X落在(3,3)内的概率约为0.997，落在(3,3)之外的概率约为0.003，一般称后者为小概率事件，并认为在一次试验中，小概率事件几乎不可能发生。一般的，服从于正态分布2(,)N的随机变量X通常只取(3,3)之间的值，简称为3原则。3、求正态分布在给定区间上的概率方法（1）数形结合，利用正态曲线的对称性及曲线与x轴之间面积为1。①正态曲线关于直线x对称，与x对称的区间上的概率相等。例如()()PXPX；②()1()PXaPXa；③若b，则1()()2PbXbPXb。(2)利用正态分布在三个特殊区间内取值的概率：①()0.6826PX；②(22)0.9544PX；③(33)0.9974PX。【典型例题】类型一、正态分布的概率密度函数例1.下列函数是正态密度函数的是（）．A．22()21()e2xPx，（0）都是实数B．222()2xPxeC．2(1)41()e22xPxD．221()e2xPx第5页共10页【思路点拨】本题可对照正态密度函数的标准形式判断．【解析】正态密度函数为：22()21()e2xPx，其中指数部分的应与系数的分母处的保持一致，系数为正数且指数为负数．选项A有两处错误，分别是2错为2，指数错为正数．选项C，从系数可得=2，而从指数处可得2，显然不符．选项D中指数为正，错误．所以正确答案为B．【总结升华】注意函数22()21()e2xPx的形式特点是解题的关键．举一反三：【变式1】设一正态总体，它的概率密度曲线是函数2(10)81()e22xfx的图象，则这个正态总体的均值与方差分别是（）A．10与8B．10与4C．8与10D．2与10【答案】在该正态分布中，=10，=2，则E(X)=10，D(X)=2=4，故选B。。【变式2】．给出下列三个正态总体的函数表达式，请找出其均值μ和标准差σ奎屯王新敞新疆（１）),(,21)(22xexfx（２）),(,221)(8)1(2xexfx（３）22(1)2(),(,)2xfxex【答案】(1)0，1(2)1，2(3)-1，0.5【变式3】正态总体为1,01概率密度函数)(xf是（）A．奇函数B．偶函数C．非奇非偶函数D．既是奇函数又是偶函数【答案】B。因为221()2xfxe所以选B。【变式4】一台机床生产一种尺寸为10mm的零件，现在从中抽测10个，它们的尺寸分别如下（单位：mm）：10.2，10.1，10，9.8，9.9，10.3，9.7，10，9.9，10.1．如果机床生产零件的尺寸X服从正态分布，求正态分布的概率密度函数式．【答案】求正态分布的概率密度函数式，只要求出参数和即可，而即样本均值，即样本标准差．依题意得1(10.210.1109.89.910.39.7109.910.1)1010，第6页共10页2222221[(10.210)(10.110)(1010)(9.810)(9.910)1022222(10.310)(9.710)(1010)(9.910)(10.110)]0.03．即10，20.03．所以X的概率密度函数为250(10)310()e6xx．类型二、正态曲线例2.如图所示，是一个正态曲线，试根据该图像写出其正态分布的概率密度函数的解析式，求出总体随机变量的期望和方差．【思路点拨】由正态曲线的图像可知，该曲线的对称轴为x=20，最大值为12，因此，μ=20，由1122可求得的值．【解析】从给出的正态曲线可知，该正态曲线关于直线x=20对称，最大值是12，所以μ=20．由1122，解得2．于是概率密度函数的解析式是2(20)41()e2xPx，x∈（－∞，+∞）．总体随机变量的期望是μ=20，方差是22(2)2．【总结升华】利用图像求正态密度函数的解析式，应抓住图像的实质性两点：一是对称轴x=μ，一是最值12．这两点确定以后，相应参数纵、便确定了，代入P（x）中便可求出相应的解析式．举一反三：【变式1】关于正态密度曲线性质的叙述：①曲线关于直线x=对称，整条曲线在x轴上方；②曲线对应的正态总体概率密度函数是偶函数；③曲线在x=时处于最高点，由这一点向左右两边延伸时，曲线逐渐降低；④曲线的对称位置由确定，曲线的形状由确定，越大曲线越“矮胖”，反之，曲线越“高瘦”．其中叙述正确的有（）．A．①②③B．①③④C．②③④D．①②③④【答案】B根据曲线关于直线x=对称，只有当=0时函数才是偶函数，故②错．利用排除法选B．第7页共10页4321-1-4-22421【变式2】如图，两个正态分布曲线图：1为)(1,1x，2为)(22x，则12，12（填大于，小于）【答案】＜，＞。解析：由正态密度曲线图象的特征知。【变式3】如图是三个正态分布X～N（0，0.25），Y～N（0，1），Z～N（0，4）的密度曲线，则三个随机变量X，Y，Z对应曲线分别是图中的________、________、________。【答案】①②③。【变式4】已知正态总体落在区间,2.0的概率是0．5，那么相应的正态曲线在x时达到最高点。【答案】0.2。由于正态曲线关于直线x对称，由题意知0.2。类型三、正态分布的计算例3．已知随机变量ξ服从正态分布N(2，σ2)，P(ξ≤4)＝0.84，则P(ξ≤0)＝()A．0.16B．0.32C．0.68D．0.84【思路点拨】可画出正态曲线，利用正态曲线的对称性解决。【解析】∵P(ξ≤4)＝0.84，μ＝2，∴P(ξ≤0)＝P(ξ≥4)＝1－0.84＝0.16，故选A.【总结升华】本题利用了正态密度曲线的性质求概率，其中应注意对称性的运用。举一反三：【变式1】（1）(0,1)XN，和的值各是多少？（2）(1,9)XN，和的值各是多少？【答案】（1）比照2(,)XN（0），(0,1)XN时，=0，=1。（2）比照2(,)XN（0），(1,9)XN时，=－129，所以=－1，=3。【变式2】在某次测量中，测量结果服从正态分布2(1,)N(0)，若在（0，1）内取值的概率为0.4，则在（0，2）内取值的概率为________。【答案】0.8服从正态分布2(1,)N，第8页共10页∴在（0，1）与（1，2）内取值的概率相同，均为0.4。在（0，2）内取值的概率为0.4+0.4=0.8。【变式3】设随机变量X～N（0，1），（1）P(－a＜X＜0)=P(0＜X＜a)(a0)；（2）P(X＜0)=0.5；（3）已知P(|X|＜1)=0.6826，则P(X＜－1)=0.1587；（4）已知P(|X|＜2)=0.9544，则P(X＜2)=0.9772；（5）已知P(|X|＜3)=0.9974，则P(X＞－3)=0.9987。其中正确的有（）A．2个B．3个C．4个D．5个【答案】D；均正确，充分利用正态曲线的对称性及其意义。例4.设ξ～N（1，22），试求：（1）P（－1＜ξ≤3）；（2）P（3＜ξ≤5）；（3）P（ξ≥5）．【思路点拨】要求随机变量ξ在某一范围内的概率，只需借助于正态密度曲线的图像性质以及课本中所给的数据进行转化求值．【解析】∵ξ～N（1，22），∴=1，=2，（