正态分布:练习题及分步解答

免费的正态分布练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:单侧尾部面积, 两个值之间的面积, 百分位数。

免费练习题简单
μ = 6567.5P = ?

考试成绩服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。 高于 67.5 分 的比例是多少?求 P(X > x),以小数表示。

μ = 65σ = 10x = 67.5
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练习内容

  1. 简单单侧尾部面积
  2. 中等两个值之间的面积
  3. 困难百分位数

如何求解正态分布问题

  1. 把数值换算为 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. 查 Φ(z),即 z 左侧的面积。
  3. 右侧面积用 1 − Φ(z);区间面积用两个左侧面积相减。
  4. 求百分位数时反向计算:先由面积求 z,再求 x = μ + z·σ。

常见错误

  • 查表时用错了尾侧。
  • 忘记除以 σ。
  • 对于低于 50% 的百分位数,把 z 的符号弄反。

关键公式

z 分数
z = (x − μ)/σ
小于 x
P(X < x) = Φ(z)
大于 x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
介于两者之间
Φ(z2) − Φ(z1)
百分位数
x = μ + z·σ

从零开始学习正态分布

学习本课之前: 描述统计

1钟形曲线

许多量,如身高、智商分数或机器生产的包装的重量,服从正态分布。大多数值靠近中间,远离中间的值很少见。

图形是一条对称的钟形曲线。它有两个数:均值 μ,即峰顶所在位置;标准差 σ,决定宽度。

7085100μ115130

关键思想:概率就是曲线下的面积。总面积为 1。阴影的左半边面积为 0.5,所以一半的值低于均值。

约 68% 的值落在均值一个 σ 的范围内,约 95% 落在两个 σ 的范围内。

自测 包装的重量服从均值 500 g 的正态分布。重量小于 500 g 的包装占多大比例?
  1. 0.5
  2. 0.68
  3. 0.95
  4. 取决于 σ

答案: 0.5. 曲线关于均值对称,所以无论 σ 是多少,恰好有一半的面积在 μ 以下。0.68 是两侧各一个 σ 以内的面积。

2z 分数与表

把数值 x 换算成 z 分数后,每个正态分布都变成同一条标准正态曲线(均值 0,σ = 1):

z = (x − μ) / σ

表给出 Φ(z):z 左边的面积。例如 Φ(1.2) = 0.8849,所以 88.49% 的值低于 z = 1.2。

  • 小于 x:P(X < x) = Φ(z)。
  • 大于 x:P(X > x) = 1 − Φ(z),因为总面积为 1。
  • 对负的 z:由对称性,Φ(−z) = 1 − Φ(z)。所以 Φ(−1.2) = 0.1151。

你会经常遇到的值:Φ(1) = 0.8413,Φ(1.5) = 0.9332,Φ(2) = 0.9772。

自测 Φ(1.2) = 0.8849。P(Z > 1.2) 是多少?
  1. 0.1151
  2. 0.3849
  3. 0.8849
  4. 1.2

答案: 0.1151. 表给出的是左边的面积。右边的面积是 1 − 0.8849 = 0.1151。直接用 0.8849 是读错了尾部。

3两个值之间与百分位数

求两个值之间的面积,把两个左边的面积相减:上限以下的全部,减去下限以下的全部。

P(x₁ < X < x₂) = Φ(z₂) − Φ(z₁)

百分位数是反过来求。第 90 百分位数是其左边有 90% 面积的那个值。

  • 找出使 Φ(z) 等于该面积的 z。对 90%,z = 1.2816。对 80%,z = 0.8416。
  • 换算回 x:x = μ + z · σ。

对于低于 50% 的百分位数,z 为负。第 10 百分位数的 z = −1.2816。

自测 智商分数服从正态分布,μ = 100,σ = 15。第 80 百分位数的 z 为 0.8416。第 80 百分位数是多少?
  1. 100.8
  2. 112.6
  3. 115
  4. 87.4

答案: 112.6. x = 100 + 0.8416 · 15 = 112.6。用减号会得到 87.4,那是第 20 百分位数;100.8 是忘了乘以 σ。

4分步方法

  1. 画出钟形曲线,标出 μ 和所给的值,并给所问的面积涂上阴影。
  2. 把每个值换算成 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  3. 查出 Φ(z),即左侧面积。
  4. 小于:Φ(z)。大于:1 − Φ(z)。之间:Φ(z₂) − Φ(z₁)。
  5. 对于百分位数,反过来做:面积 → z → x = μ + zσ。
  6. 与你的草图比较:小于一半的阴影面积,得出的数必须低于 0.5。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

智商分数服从均值 100、标准差 15 的正态分布。介于 91 和 121 之间的比例 P 是多少?

1

画出面积

91x₁100121x₂

阴影面积覆盖中间部分以及右侧更多的部分。预期结果略高于 0.5。

2

下限的 z 分数

z₁ = (91 − 100) / 15 = −9/15 = −0.6
3

上限的 z 分数

z₂ = (121 − 100) / 15 = 21/15 = 1.4
4

查出两个面积

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

相减

P = 0.9192 − 0.2743 = 0.6449

这略高于 0.5,与草图的预测一致。

答案

P ≈ 0.645:约 64.5% 的分数介于 91 和 121 之间。

6常见错误

  • 读错尾部:题目问 x 以上的面积,却用了 Φ(z)。
  • 在 z 分数中忘了除以 σ。
  • 对区间把两个左边的面积相加而不是相减。
  • 对低于 50% 的百分位数使用了错误的 z 符号。
  • 混淆 σ 和方差 σ²。应当除以标准差 σ。
自测 考试成绩服从正态分布,μ = 65,σ = 10。Φ(−1.5) = 0.0668。成绩高于 50 的比例是多少?
  1. 0.0668
  2. 0.4332
  3. 0.5668
  4. 0.9332

答案: 0.9332. z = (50 − 65)/10 = −1.5,P(X > 50) = 1 − Φ(−1.5) = 0.9332。0.0668 是 50 以下的面积:尾部错了。大多数学生的成绩高于 50,所以答案必须很大。

7考试题是什么样的

  • 简单:单侧尾部的面积。用一个 z 分数求 P(X < x) 或 P(X > x)。
  • 中等:两个值之间的面积 Φ(z₂) − Φ(z₁),如例题所示。
  • 困难:百分位数。求使 80% 或 90% 的数据低于它的那个值。

一定要先画草图。十秒钟的草图能避免大多数尾部的错误。

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例题详解

例题 1简单
μ = 3236.8P = ?

配送时间服从正态分布,均值为 32 min,标准差为 6 min。 高于 36.8 min 的比例是多少?求 P(X > x),以小数表示。

μ = 32σ = 6x = 36.8

求: P(X > x)

显示提示
  1. 换算成 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. z = (36.8 − 32)/6 = 0.8.
  3. 右侧面积为 1 − Φ(z)。
显示答案和分步解答

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

z 分数

z = (36.8 − 32)/6 = 0.8

概率

P = 1 − Φ(0.8) = 1 − 0.7881 = 0.2119

答案

P = 0.2119

即 21.19%。

例题 2中等
750 g769.7 gX + Y?

X 服从均值 250 g、标准差 4 g 的正态分布;Y 独立,服从均值 500 g、标准差 9 g 的正态分布。求 X + Y 大于 769.7 g 的概率 P。z 取两位小数。

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

求: P

显示提示
  1. E(X + Y) = 250 + 500 = 750 g.
  2. σ = √(4² + 9²) = 9.849 g.
  3. z = (769.7 − 750)/9.849.
显示答案和分步解答

正态变量的和与差:若 X 和 Y 相互独立且服从正态分布,则 X + Y 与 X − Y 也服从正态分布。均值相加或相减:E(X ± Y) = μX ± μY。方差总是相加,差也是如此:Var(X ± Y) = σX² + σY²,所以 σ = √(σX² + σY²)。标准差从不直接相加。n 个独立同分布项的总和,均值为 n·μ,标准差为 σ·√n。然后照常标准化:z = (x − 均值)/σ,再查 Φ(z)。

和的分布

μ = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9.849 g

标准化

z = (769.7 − 750)/9.849 = 2

上尾

P = 1 − Φ(2) = 1 − 0.9772 = 0.02275

答案

P = 0.02275
例题 3困难
μ = 178x = ?20%

成年男性的身高服从正态分布,均值为 178 cm,标准差为 7 cm。求数值 x,使得有 20% 的数据低于它(第 20 百分位数)。

μ = 178σ = 7P = 20%

求: x (cm)

显示提示
  1. 反向查表:在表中找出满足 Φ(z) = P/100 的 z。
  2. z = −0.8416.
  3. 然后 x = μ + z·σ。
显示答案和分步解答

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

该百分位数对应的 z

Φ(z) = 0.2 → z = −0.8416

换算回 x

x = 178 + −0.8416·7 = 172.11 cm

答案

x = 172.11 cm

问与答

什么是正态分布?

许多量,如身高、智商分数或机器生产的包装的重量,服从正态分布。大多数值靠近中间,远离中间的值很少见。

图形是一条对称的钟形曲线。它有两个数:均值 μ,即峰顶所在位置;标准差 σ,决定宽度。

正态分布题目如何一步步求解?
  1. 把数值换算为 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. 查 Φ(z),即 z 左侧的面积。
  3. 右侧面积用 1 − Φ(z);区间面积用两个左侧面积相减。
  4. 求百分位数时反向计算:先由面积求 z,再求 x = μ + z·σ。
正态分布有哪些常见错误?
  • 查表时用错了尾侧。
  • 忘记除以 σ。
  • 对于低于 50% 的百分位数,把 z 的符号弄反。
正态分布练习包括哪些内容?
  • 简单: 单侧尾部面积
  • 中等: 两个值之间的面积
  • 困难: 百分位数

每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。

练习方式

  • 每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。
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