连续模型用区间概率描述测量值。图形下的面积表示概率,本版只使用面积含义、对称性与给定概率,不计算积分。
区间均匀分布
设 a<b。随机变量 X 在 [a,b] 上均匀分布,表示等长的子区间具有相同概率,且落在整个 [a,b] 内的概率为1。记作 X∼U(a,b)。
对任意实数 c≤d,
P(c≤X≤d)=b−amax{0,min(d,b)−max(c,a)}.
分子是 [c,d]∩[a,b] 的长度;交集为空时长度为零。只有 [c,d]⊆[a,b] 时,才可以简写成 (d−c)/(b−a)。
公式的含义。 把 [a,b] 等分为 m 段,每段概率为 1/m,连续 r 段概率为 r/m,等于长度比。任意端点的区间可由两侧的等分点区间夹逼,因此仍遵循同一长度比例。
单点长度为零,故 P(X=c)=0;开闭端点不影响区间概率。例如 X∼U(0,10) 时,P(2≤X≤5)=3/10,P(−2≤X≤3)=3/10,后一式不能使用 5/10,因为负数部分不属于可能取值范围。
正态分布的定义与参数
设 μ∈R,σ>0。如果随机变量 X 的概率密度为
f(x)=σ2π1exp[−2σ2(x−μ)2],x∈R,
则称 X 服从正态分布,记作 X∼N(μ,σ2)。密度的含义是:区间概率等于该区间上曲线与横轴围成的面积;曲线本身的高度不是单点概率。
本节采用正态分布的基本结论:该密度总面积为 1,期望为 μ,方差为 σ2。这些结论的积分证明不属于本轮范围。由表达式可直接看出曲线关于 x=μ 对称,在中心处最高,向两侧降低。σ 增大时曲线横向展开,峰值 1/(σ2π) 降低。
标准化与概率转换
令 Z=(X−μ)/σ,则 Z∼N(0,1)。从面积模型理解,横坐标缩小为原来的 1/σ,密度高度相应乘 σ,面积保持不变,得到标准正态密度 e−z2/2/2π。因此
P(a<X<b)=P(σa−μ<Z<σb−μ).
记标准正态的累计概率为 Φ(z)=P(Z≤z)。由对称性与单点概率为零,
Φ(−z)=1−Φ(z),P(a<X<b)=Φ(σb−μ)−Φ(σa−μ).
这里 a<b,σ>0 保证标准化不改变不等号方向。
常用区间概率与模型边界
下表为正态模型的常用近似值,适用于任意 μ∈R,σ>0:
| 区间 |
概率近似值 |
两侧区间外的总概率 |
| μ−σ<X<μ+σ |
0.6827 |
0.3173 |
| μ−2σ<X<μ+2σ |
0.9545 |
0.0455 |
| μ−3σ<X<μ+3σ |
0.9973 |
0.0027 |
对称性使左右尾部各占表中最后一列的一半。单点概率为零,所以开闭端点不影响这些概率。
这些数值来自正态概率表,应作为近似值使用,不能用于任意分布。“三倍标准差之外很少见”不表示不可能。总体参数 μ,σ 可以用样本估计,但不同于某一次抽样的样本均值、标准差;仅凭有限样本看起来对称也不能证明总体服从正态。
例:利用对称性
若 X∼N(100,152),则 P(85≤X≤115)≈0.6827,P(X>115)≈(1−0.6827)/2=0.15865。
例:利用对称性计算单侧概率
设某测量值 X∼N(100,42),已知 P(92<X<108)≈0.9545。区间恰为 μ±2σ,两侧尾部概率相同,所以
P(X≥108)≈21−0.9545=0.02275.
从中心到右端的概率为 0.9545/2=0.47725,于是 P(X<108)≈0.97725。连续模型中单点概率为零,< 与 ≤ 在这里给出相同概率。
标准化 Z=(X−100)/4 只是把中心平移到 0、把一个标准差缩放为 1;无需引入积分运算即可使用题目给出的概率表。
易错点
N(μ,σ2) 第二个参数是方差,不是标准差。有限样本看起来对称并不足以证明服从正态;实际资料应先考虑模型是否合理。连续模型中严格与非严格端点不改变区间概率。
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先修:样本空间、事件与概率模型 · 分布列、期望与方差。
同主题:几何分布与等待状态。
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