正規分布:ステップごとの解答つき練習問題

図、ヒント、詳しい解答つきの無料の正規分布練習問題。毎回新しい数値で、3 つのレベル:片側の裾の面積, 2 つの値の間の面積, パーセンタイル。

無料の練習問題やさしい
μ = 6567.5P = ?

試験の得点は、平均 65 点、標準偏差 10 点 の正規分布に従います。 67.5 点 より大きい割合はいくらですか?P(X > x) を小数で求めなさい。

μ = 65σ = 10x = 67.5
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練習する内容

  1. やさしい片側の裾の面積
  2. ふつう2 つの値の間の面積
  3. むずかしいパーセンタイル

正規分布の問題の解き方

  1. 値を z スコアに変換します:z = (x − μ)/σ。
  2. z より左側の面積 Φ(z) を表で調べます。
  3. 右側の面積は 1 − Φ(z)、区間の面積は 2 つの左側の面積の差です。
  4. パーセンタイルでは逆にたどります:面積から z を求め、x = μ + z·σ とします。

よくある間違い

  • 表を反対側の裾で読んでしまう。
  • σ で割り忘れる。
  • 50% 未満のパーセンタイルで z の符号を逆にしてしまう。

重要な公式

z スコア
z = (x − μ)/σ
x 未満
P(X < x) = Φ(z)
x より大きい
P(X > x) = 1 − Φ(z)
2 つの値の間
Φ(z2) − Φ(z1)
パーセンタイル
x = μ + z·σ

正規分布をゼロから学ぶ

事前に学ぶこと: 記述統計

1釣り鐘型の曲線

身長、IQ スコア、機械でつくられる袋の重さなど、多くの量は正規分布に従います。ほとんどの値は真ん中の近くにあり、遠く離れた値はまれです。

グラフは左右対称の釣り鐘型です。2 つの数をもちます:頂点がある平均 μ と、幅を決める標準偏差 σ です。

7085100μ115130

重要な考え方:確率は曲線の下の面積です。全体の面積は 1 です。色のついた左半分の面積は 0.5 なので、すべての値の半分が平均より下にあります。

値のおよそ 68% は平均から 1σ 以内にあり、およそ 95% は 2σ 以内にあります。

セルフチェック 袋の重さは、平均 500 g の正規分布に従います。500 g より軽い袋の割合はどれだけですか?
  1. 0.5
  2. 0.68
  3. 0.95
  4. σ による

答え: 0.5. 曲線は平均について対称なので、σ にかかわらず、面積のちょうど半分が μ より下にあります。0.68 は、両側の 1σ 以内の面積です。

2z スコアと表

値 x を z スコアに換算すると、どの正規分布も同じ標準正規曲線(平均 0、σ = 1)になります。

z = (x − μ) / σ

表は Φ(z)、つまり z の左側の面積を与えます。たとえば Φ(1.2) = 0.8849 なので、値の 88.49% が z = 1.2 より下にあります。

  • x より下:P(X < x) = Φ(z)。
  • x より上:P(X > x) = 1 − Φ(z)。全体の面積が 1 だからです。
  • 負の z には:対称性により Φ(−z) = 1 − Φ(z)。したがって Φ(−1.2) = 0.1151 です。

よく出てくる値:Φ(1) = 0.8413、Φ(1.5) = 0.9332、Φ(2) = 0.9772。

セルフチェック Φ(1.2) = 0.8849 です。P(Z > 1.2) はいくらですか?
  1. 0.1151
  2. 0.3849
  3. 0.8849
  4. 1.2

答え: 0.1151. 表は左側の面積を与えます。右側の面積は 1 − 0.8849 = 0.1151 です。0.8849 をそのまま使うと、間違った裾を読んでいます。

32 つの値の間とパーセンタイル

2 つの値の間の面積には、2 つの左側の面積を引き算します:上の値より下のすべてから、下の値より下のすべてを引きます。

P(x₁ < X < x₂) = Φ(z₂) − Φ(z₁)

パーセンタイルは逆に進みます。90 パーセンタイルは、その左側に面積の 90% がある値です。

  • Φ(z) が面積に等しくなる z を見つけます。90% では z = 1.2816。80% では z = 0.8416 です。
  • x に戻します:x = μ + z · σ。

50% より下のパーセンタイルでは、z は負です。10 パーセンタイルの z は −1.2816 です。

セルフチェック IQ スコアは μ = 100、σ = 15 の正規分布です。80 パーセンタイルの z は 0.8416 です。80 パーセンタイルはいくらですか?
  1. 100.8
  2. 112.6
  3. 115
  4. 87.4

答え: 112.6. x = 100 + 0.8416 · 15 = 112.6 です。マイナスを使うと 87.4(20 パーセンタイル)になり、100.8 は σ をかけ忘れた値です。

4ステップごとの方法

  1. 釣り鐘型の曲線をスケッチし、μ と値に印をつけ、問われている面積に色をつけます。
  2. 各値を z スコアに換算します:z = (x − μ)/σ。
  3. 左側の面積 Φ(z) を表から読み取ります。
  4. 下:Φ(z)。上:1 − Φ(z)。間:Φ(z₂) − Φ(z₁)。
  5. パーセンタイルでは、逆に進みます:面積 → z → x = μ + zσ。
  6. スケッチと比べます:半分より小さい色つきの面積は、0.5 より下の数でなければなりません。

5例題

すべてのステップをたどりましょう。開く前に次のステップを予想してみましょう。

例題

IQ スコアは、平均 100、標準偏差 15 の正規分布に従います。91 と 121 の間にある割合 P はいくらですか?

1

面積をスケッチする

91x₁100121x₂

色のついた面積は、真ん中と、右側のより多くをカバーします。0.5 より少し上の数になると予想されます。

2

下の z スコア

z₁ = (91 − 100) / 15 = −9/15 = −0.6
3

上の z スコア

z₂ = (121 − 100) / 15 = 21/15 = 1.4
4

両方の面積を調べる

Φ(1.4) = 0.9192
Φ(−0.6) = 1 − Φ(0.6) = 1 − 0.7257 = 0.2743
5

引く

P = 0.9192 − 0.2743 = 0.6449

スケッチが予想したとおり、0.5 より少し上です。

答え

P ≈ 0.645:スコアの約 64.5% が 91 と 121 の間にあります。

6よくある間違い

  • 間違った裾を読むこと:x より上の面積が問われているのに Φ(z) を使うこと。
  • z スコアで σ で割るのを忘れること。
  • 区間のために、2 つの左側の面積を引かずに足すこと。
  • 50% より下のパーセンタイルで、z の符号を間違えること。
  • σ と分散 σ² を混同すること。割るのは標準偏差 σ です。
セルフチェック 試験の点数は μ = 65、σ = 10 の正規分布です。Φ(−1.5) = 0.0668 です。50 点より上の割合はどれだけですか?
  1. 0.0668
  2. 0.4332
  3. 0.5668
  4. 0.9332

答え: 0.9332. z = (50 − 65)/10 = −1.5 で、P(X > 50) = 1 − Φ(−1.5) = 0.9332 です。0.0668 は 50 より下の面積で、間違った裾です。ほとんどの学生は 50 点を超えるので、答えは大きくなければなりません。

7試験問題の例

  • やさしい:片方の裾の面積。1 つの z スコアで P(X < x) または P(X > x) を求めます。
  • ふつう:例題のように、2 つの値の間の面積、Φ(z₂) − Φ(z₁)。
  • むずかしい:パーセンタイル。データの 80% や 90% がそれより下にある値を求めます。

必ず先にスケッチしましょう。10 秒のスケッチで、裾の間違いのほとんどを防げます。

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解答例

例題 1やさしい
μ = 3236.8P = ?

配達時間は、平均 32 min、標準偏差 6 min の正規分布に従います。 36.8 min より大きい割合はいくらですか?P(X > x) を小数で求めなさい。

μ = 32σ = 6x = 36.8

求めるもの: P(X > x)

ヒントを表示
  1. z スコアに変換します:z = (x − μ)/σ。
  2. z = (36.8 − 32)/6 = 0.8.
  3. 右側の面積は 1 − Φ(z) です。
答えとステップごとの解答を表示

正規分布:値 x を z スコア z = (x − μ)/σ に変換します。これは平均から標準偏差何個分離れているかを表します。z 表(または Φ(z))は z より左側の面積、つまり P(X < x) を与えます。右側の面積は 1 − Φ(z)、2 つの値の間の面積はそれぞれの左側の面積の差です。

z スコア

z = (36.8 − 32)/6 = 0.8

確率

P = 1 − Φ(0.8) = 1 − 0.7881 = 0.2119

答え

P = 0.2119

これは 21.19% です。

例題 2ふつう
750 g769.7 gX + Y?

X は平均 250 g、標準偏差 4 g の正規分布に従い、Y は X と独立で、平均 500 g、標準偏差 9 g の正規分布に従います。X + Y が 769.7 g を超える確率 P を求めなさい。z は小数第 2 位に丸めなさい。

μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 769.7 g

求めるもの: P

ヒントを表示
  1. E(X + Y) = 250 + 500 = 750 g.
  2. σ = √(4² + 9²) = 9.849 g.
  3. z = (769.7 − 750)/9.849.
答えとステップごとの解答を表示

正規変数の和と差:X と Y が独立で正規分布に従うなら、X + Y と X − Y も正規分布に従います。平均は足したり引いたりします:E(X ± Y) = μX ± μY。分散は差の場合でも常に足します:Var(X ± Y) = σX² + σY²、したがって σ = √(σX² + σY²) です。標準偏差を直接足すことはありません。同じ分布に従う独立な n 個の合計は、平均 n·μ、標準偏差 σ·√n です。そのあとはいつもどおり標準化します:z = (x − 平均)/σ とし、Φ(z) を読み取ります。

和の分布

μ = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9.849 g

標準化する

z = (769.7 − 750)/9.849 = 2

上側確率

P = 1 − Φ(2) = 1 − 0.9772 = 0.02275

答え

P = 0.02275
例題 3むずかしい
μ = 178x = ?20%

成人男性の身長は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。全体の 20% がそれより下にある値 x(第 20 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 178σ = 7P = 20%

求めるもの: x (cm)

ヒントを表示
  1. 逆にたどります:表で Φ(z) = P/100 となる z を探します。
  2. z = −0.8416.
  3. 次に x = μ + z·σ。
答えとステップごとの解答を表示

正規分布:値 x を z スコア z = (x − μ)/σ に変換します。これは平均から標準偏差何個分離れているかを表します。z 表(または Φ(z))は z より左側の面積、つまり P(X < x) を与えます。右側の面積は 1 − Φ(z)、2 つの値の間の面積はそれぞれの左側の面積の差です。

パーセンタイルに対応する z

Φ(z) = 0.2 → z = −0.8416

x に戻す

x = 178 + −0.8416·7 = 172.11 cm

答え

x = 172.11 cm

質問と回答

正規分布とは?

身長、IQ スコア、機械でつくられる袋の重さなど、多くの量は正規分布に従います。ほとんどの値は真ん中の近くにあり、遠く離れた値はまれです。

グラフは左右対称の釣り鐘型です。2 つの数をもちます:頂点がある平均 μ と、幅を決める標準偏差 σ です。

正規分布の問題の解き方は?(手順)
  1. 値を z スコアに変換します:z = (x − μ)/σ。
  2. z より左側の面積 Φ(z) を表で調べます。
  3. 右側の面積は 1 − Φ(z)、区間の面積は 2 つの左側の面積の差です。
  4. パーセンタイルでは逆にたどります:面積から z を求め、x = μ + z·σ とします。
正規分布でよくある間違いは?
  • 表を反対側の裾で読んでしまう。
  • σ で割り忘れる。
  • 50% 未満のパーセンタイルで z の符号を逆にしてしまう。
正規分布の練習では何を学ぶ?
  • やさしい: 片側の裾の面積
  • ふつう: 2 つの値の間の面積
  • むずかしい: パーセンタイル

問題ごとに数値が変わるので、答えではなく解き方が身につきます。 行き詰まったら、まず小さなヒントを開き、必要なときだけ詳しい解説を見ましょう。

練習のしかた

  • 問題ごとに数値が変わるので、答えではなく解き方が身につきます。
  • 行き詰まったら、まず小さなヒントを開き、必要なときだけ詳しい解説を見ましょう。
  • 進捗、間違えた問題、保存した問題は記録されるので、試験前に復習できます。

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