首页/笔记/高中数学/高中概率/第五课:正态曲线下面积表示什么

第五课:正态曲线下面积表示什么

[返回路线](./09_two_week_plan_zh.md)。周五一小时,本地对应考点 38。

对象与计算依据

正态分布(normal distribution)描述连续测量值。$X\sim N(\mu,\sigma^2)$ 中第二参数是方差,$\sigma>0$ 为标准差;密度曲线高度不是概率,区间下面积才是概率,单点概率为零。

<figure><img src="../../../assets/probability-course/normal-interval.svg" alt="正态密度曲线关于均值对称,均值到均值加一个标准差的区间被阴影标出,区间概率由面积表示。"><figcaption>示意:阴影是区间面积,曲线高度是密度。</figcaption></figure>

密度关于均值对称,因此等距左右面积相等。标准化 $Z=(X-\mu)/\sigma$ 把区间端点同样变换。常用中心 1、2、3 个标准差内概率约为 0.6827、0.9545、0.9973;这些是正态模型的数值结果,不是一般分布定律。完整定义见分布讲义。

教师备课与退出检查

复盘放回与不放回;新知先用图解释一个标准差左右面积,再做 X 服从 N(100,225) 的右尾计算。应用阶段让她独立完成作业 2、3,优先发现把 225 当标准差的错误。退出题:标准正态在 0 点密度为正,为什么恰好等于 0 的概率仍是零?高度不是面积。

四道核心作业

作业 1:密度与概率【自编·辨析】

某连续变量在 x=0 的密度为 0.4。有人据此说 P(X=0)=0.4。指出错误;正态变量的区间开闭端点会影响概率吗?

一级提示

区分曲线高度与区间面积。

完整解析

密度为每单位区间概率的局部刻画,不能直接当点概率。连续密度模型中单点面积为零,故 P(X=0)=0。正态分布的任何单点概率为零,增加或删去有限端点不改变区间概率。

作业 2:标准差与右尾【考点 38 模型改编】

X 服从 N(100,225),给定中心一个标准差内概率约 0.6827,求 P(X>115)。

一级提示

先开方取得标准差,再看 115 离均值几个标准差。

完整解析

标准差为 15,115=100+15。中心区间 (85,115) 之外概率为 0.3173,两尾对称,所以右尾概率约 0.15865。若误用 225,区间判断就已错误。

作业 3:区间差与数量估计【考点 38 模型改编】

质量指标 X 服从 N(50,4),中心一、两个标准差内概率为 0.6827、0.9545,求 P(52<X<54)。10000 件同分布产品中,此区间件数的期望约为多少?是否必须独立?

一级提示

标准差为 2,目标是右侧一到两个标准差之间。

完整解析

两侧环带总面积 $0.9545-0.6827=0.2718$,右半为 0.1359。件数是各产品落入区间的指示变量之和,期望约 1359,期望线性性无需独立。实际件数不必为 1359;独立性会影响波动计算。

作业 4:三角函数回访【自编】

求 $y=\sin(2x-\pi/3)$ 的全部单调递增区间及图像对称中心,说明内层变量到 x 的转换。

一级提示

令 t=2x-π/3,分别使用正弦的递增区间和零点中心。

完整解析

正弦在 $[-\pi/2+2k\pi,\pi/2+2k\pi]$ 递增,内层系数 2 为正,解不等式得 $[-\pi/12+k\pi,5\pi/12+k\pi]$,k 为整数。对称中心满足 $2x-\pi/3=k\pi$,故为 $(\pi/6+k\pi/2,0)$。不能把内层变量的区间端点直接当作 x 的端点。

讲题指定作业 3:从图中的两块面积解释减法,再说明期望不等于实际。