第2章 24 正态分布.docx

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第2章24正态分布

2.4 正态分布

学习目标

核心素养

1.利用实际问题的直方图,了解正态曲线的特征和正态曲线所表示的意义.(重点)

2.能借助正态曲线的图象理解正态曲线的性质及意义.(重点)

3.会根据正态曲线的性质求随机变量在某一区间的概率.(难点)

1.通过学习正态分布,体会数学抽象和直观想象的素养.

2.借助“3σ”原则解题,提升数学运算的素养.

1.正态曲线

若φμ,σ(x)=

,x∈(-∞,+∞),其中实数μ和σ(σ>0)为参数,我们称φμ,σ(x)的图象为正态分布密度曲线,简称正态曲线.

2.正态分布

如果对于任何实数a,b(a

φμ,σ(x),则称随机变量X服从正态分布.

正态分布完全由参数μ和σ确定,因此正态分布常记作N(μ,σ2).如果随机变量X服从正态分布,则记为X~N(μ,σ2).

思考:

如何估计参数μ,σ的值?

[提示] 参数μ是反映随机变量取值的平均水平的特征数,可以用样本的均值去估计;σ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.

3.正态曲线的特点

(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=μ对称;

(3)曲线在x=μ处达到峰值

(4)曲线与x轴之间的面积为1;

(5)当σ一定时,曲线的位置由μ确定,曲线随着μ的变化而沿x轴平移;

(6)当μ一定时,曲线的形状由σ确定,σ越小,曲线越“瘦高”,表示总体的分布越集中;σ越大,曲线越“矮胖”,表示总体的分布越分散.

4.3σ原则

(1)若X~N(μ,σ2),则对于任何实数a>0,P(μ-a

φμ,σ(x)dx.

(2)正态分布在三个特殊区间内取值的概率:

P(μ-σ

P(μ-2σ

P(μ-3σ

(3)通常认为服从于正态分布N(μ,σ2)的随机变量X只取(μ-3σ,μ+3σ)之间的值,并简称之为3σ原则.

1.已知随机变量X服从正态分布N(2,σ2),则P(X<2)=(  )

A.

         B.

C.

D.

D [由题意知X的均值为2,因此P(X<2)=

.]

2.正态曲线关于y轴对称,则它所对应的正态总体均值为(  )

A.1B.-1

C.0D.不确定

C [由正态曲线性质知均值为0.]

3.正态分布的概率密度函数P(x)=

e-

在(3,7]内取值的概率为________.

0.6827 [由题意可知X~N(5,4),且μ=5,σ=2,

所以P(3

正态曲线及其性质

【例1】 某次我市高三教学质量检测中,甲、乙、丙三科考试成绩的直方图如图所示(由于人数众多,成绩分布的直方图可视为正态分布),则由如图所示曲线可得下列说法中正确的一项是(  )

A.甲科总体的标准差最小

B.丙科总体的平均数最小

C.乙科总体的标准差及平均数都居中

D.甲、乙、丙的总体的平均数不相同

A [由题中图象可知三科总体的平均数(均值)相等,由正态密度曲线的性质,可知σ越大,正态曲线越扁平;σ越小,正态曲线越尖陡,故三科总体的标准差从小到大依次为甲、乙、丙.故选A.]

利用正态曲线的性质可以求参数μ,σ

1.正态曲线是单峰的,它关于直线x=μ对称,由此性质结合图象求μ.

2.正态曲线在x=μ处达到峰值

,由此性质结合图象可求σ.

3.由σ的大小区分曲线的胖瘦.

1.设两个正态分布N(μ1,σ

)(σ1>0)和N(μ2,σ

)(σ2>0)的密度函数图象如图所示,则有(  )

A.μ1<μ2,σ1<σ2

B.μ1<μ2,σ1>σ2

C.μ1>μ2,σ1<σ2

D.μ1>μ2,σ1>σ2

A [根据正态分布的性质:

对称轴方程x=μ,σ表示正态曲线的形状.由题图可得,选A.]

正态分布下的概率计算

【例2】 

(1)已知随机变量ξ服从正态分布N(2,σ2),且P(ξ<4)=0.8,则P(0<ξ<2)=(  )

A.0.6B.0.4

C.0.3D.0.2

(2)在某项测量中,测量结果服从正态分布N(1,4),求正态总体X在(-1,1)内取值的概率.

[思路点拨] 

(1)根据正态曲线的对称性进行求解;

(2)题可先求出X在(-1,3)内取值的概率,然后由正态曲线关于x=1对称知,X在(-1,1)内取值的概率就等于在(-1,3)内取值的概率的一半.

(1)C [∵随机变量X服从正态分布N(2,σ2),

∴μ=2,对称轴是x=2.∵P(ξ<4)=0.8,

∴P(ξ≥4)=P(ξ<0)=0.2,

∴P(0<ξ<4)=0.6,∴P(0<ξ<2)=0.3.故选C.]

(2)[解] 由题意得μ=1,σ=2,

所以P(-1<X≤3)=P(1-2<X≤1+2)=0.6827.

又因为正态曲线关于x=1对称,

所以P(-1<X<1)=P(1<X<3)=

P(-1<X<3)≈0.3414.

正态变量在某个区间内取值概率的求解策略

1.充分利用正态曲线的对称性和曲线与x轴之间面积为1.

2.注意概率值的求解转化:

(1)P(X<a)=1-P(X≥a);

(2)P(X<μ-a)=P(X≥μ+a);

(3)若b<μ,则P(X<b)=

.

3.熟记P(μ-σ<X≤μ+σ),P(μ-2σ<X≤μ+2σ),P(μ-3σ<X≤μ+3σ)的值.

2.设随机变量X~N(2,9),若P(X>c+1)=P(X

(1)求c的值;

(2)求P(-4

[解] 

(1)由X~N(2,9)可知,密度函数关于直线x=2对称(如图所示),

又P(X>c+1)=P(X

所以c=2.

(2)P(-4

正态分布的实际应用

【例3】 在某次数学考试中,考生的成绩ξ服从一个正态分布,即ξ~N(90,100).

(1)试求考试成绩ξ位于区间(70,110)上的概率是多少?

(2)若这次考试共有2000名考生,试估计考试成绩在(80,100)间的考生大约有多少人?

[思路点拨] 

(1)

―→

(2)

―→

[解] 因为ξ~N(90,100),所以μ=90,σ=10.

(1)由于正态变量在区间(μ-2σ,μ+2σ)内取值的概率是0.9545,而该正态分布中,μ-2σ=90-2×10=70,μ+2σ=90+2×10=110,于是考试成绩ξ位于区间(70,110)内的概率为0.9545.

(2)由μ=90,σ=10,得μ-σ=80,μ+σ=100.由于正态变量在区间(μ-σ,μ+σ)内取值的概率是0.6827,所以考试成绩ξ位于区间(80,100)内的概率就是0.6827.一共有2000名考生,所以考试成绩在(80,100)间的考生大约有2000×0.6827≈1365(人).

正态曲线的应用及求解策略

1.本题利用转化的思想方法,把普通的区间转化为3σ区间,由特殊区间的概率值求出.

2.解答正态分布的实际应用题,其关键是如何转化,同时应熟练掌握正态分布在(μ-σ,μ+σ],(μ-2σ,μ+2σ],(μ-3σ,μ+3σ]三个区间内的概率.在此过程中用到归纳思想和数形结合思想.

3.某厂生产的圆柱形零件的外直径X服从正态分布N(4,0.52),质量检查人员从该厂生产的1000个零件中随机抽查一个,测得它的外直径为5.7cm,该厂生产的这批零件是否合格?

[解] 由于X服从正态分布N(4,0.52),

由正态分布的性质,可知正态分布N(4,0.52)在(4-3×0.5,4+3×0.5)之外的取值的概率只有0.0027,

而5.7∉(2.5,5.5),

这说明在一次试验中,出现了几乎不可能发生的小概率事件,据此可以认为该批零件是不合格的.

正态总体在某个区间内取值的概率求法:

(1)熟记P(μ-σ

(2)充分利用正态曲线的对称性和曲线与x轴之间的面积为1.

①正态曲线关于直线x=μ对称,从而在关于x=μ对称的区间上概率相等.

②P(X

.

1.判断(正确的打“√”,错误的打“×”)

(1)正态变量函数表达式中参数μ,σ的意义分别是样本的均值与方差.(  )

(2)服从正态分布的随机变量是连续型随机变量.(  )

(3)正态曲线是一条钟形曲线.(  )

[答案] 

(1)× 

(2)√ (3)√

2.设随机变量X的正态密度函数为f(x)=

·e

,x∈(-∞,+∞),则参数μ,σ的值分别是(  )

A.μ=3,σ=2    B.μ=-3,σ=2

C.μ=3,σ=

D.μ=-3,σ=

D [由正态密度函数表达式知μ=-3,σ=

.]

3.设X~N

,则P(-1<x<1)=________.

0.9545 [∵X~N

,∴μ=0,σ=

∴P(-1<X<1)=P(0-2σ<X<0+2σ)=0.9545.]

4.有一种精密零件,其尺寸X(单位:

mm)服从正态分布N(20,4).若这批零件共有5000个,试求:

(1)这批零件中尺寸在18~22mm间的零件所占的百分比;

(2)若规定尺寸在24~26mm间的零件不合格,则这批零件中不合格的零件大约有多少个?

[解] 

(1)∵X~N(20,4),∴μ=20,σ=2,∴μ-σ=18,μ+σ=22,

于是尺寸在18~22mm间的零件所占的百分比大约是68.27%.

(2)∵μ-3σ=14,μ+3σ=26,μ-2σ=16,μ+2σ=24,

∴尺寸在14~26mm间的零件所占的百分比大约是99.73%,而尺寸在16~24mm间的零件所占的百分比大约是95.45%.

∴尺寸在24~26mm间的零件所占的百分比大约是

=2.14%.因此尺寸在24~26mm间的零件大约5000×2.14%≈107(个).

∴这批零件中不合格的零件大约有107个.

课时分层作业(十六) 正态分布

(建议用时:

60分钟)

[基础达标练]

一、选择题

1.如图是正态分布N(μ,σ

),N(μ,σ

),N(μ,σ

)(σ1,σ2,σ3>0)对应的曲线,则σ1,σ2,σ3的大小关系是(  )

A.σ1>σ2>σ3

B.σ3>σ2>σ1

C.σ1>σ3>σ2

D.σ2>σ1>σ3

A [由σ的意义可知,图象越瘦高,数据越集中,σ2越小,故有σ1>σ2>σ3.]

2.若随机变量X~N(1,22),则D

等于(  )

A.4    B.2    C.

    D.1

D [因为X~N(1,22),所以D(X)=4,所以D

D(X)=1.]

3.已知随机变量ξ服从正态分布N(0,σ2),若P(ξ>2)=0.023,则P(-2≤ξ≤2)=(  )

A.0.447B.0.628

C.0.954D.0.977

C [∵随机变量ξ服从正态分布N(0,σ2),

∴正态曲线关于直线x=0对称,又P(ξ>2)=0.023,

∴P(ξ<-2)=0.023.

∴P(-2≤ξ≤2)=1-2×0.023=0.954.]

4.随机变量ξ~N(2,10),若ξ落在区间(-∞,k)和(k,+∞)的概率相等,则k等于(  )

A.1B.10

C.2D.

C [∵区间(-∞,k)和(k,+∞)关于x=k对称,

所以x=k为正态曲线的对称轴,

∴k=2,故选C.]

5.已知某批零件的长度误差(单位:

毫米)服从正态分布N(0,32),从中随机取一件,其长度误差落在区间(3,6)内的概率为(  )

(附:

若随机变量ξ服从正态分布N(μ,σ2),则P(μ-σ<ξ<μ+σ)=68.27%,P(μ-2σ<ξ<μ+2σ)=95.45%.)

A.4.56%B.13.59%

C.27.18%D.31.74%

B [由正态分布的概率公式知P(-3<ξ<3)=0.6827,P(-6<ξ<6)=0.9545,

故P(3<ξ<6)=

=0.1359=13.59%.]

二、填空题

6.若随机变量X~N(μ,σ2),则P(X≤μ)=________.

 [由于随机变量X~N(μ,σ2),其正态密度曲线关于直线x=μ对称,故P(X≤μ)=

.]

7.在某项测量中,测量结果X服从正态分布N(1,σ2)(σ>0),若X在(0,1]内取值的概率为0.4,则X在(0,2]内取值的概率为________.

0.8 [∵X~N(1,σ2),且P(0<X≤1)=0.4,∴P(0<X≤2)=2P(0<X≤1)=0.8.]

8.工人制造的零件尺寸在正常情况下服从正态分布N(μ,σ2),在一次正常的试验中,取1000个零件,不属于(μ-3σ,μ+3σ)这个尺寸范围的零件可能有_________个.

3 [因为P(μ-3σ<ξ≤μ+3σ)≈0.9973,所以不属于区间(μ-3σ,μ+3σ)内的零点个数约为1000×(1-0.9973)=2.7≈3个.]

三、解答题

9.在一次测试中,测试结果X服从正态分布N(2,σ2)(σ>0),若X在(0,2)内取值的概率为0.2,求:

(1)X在(0,4)内取值的概率;

(2)P(X>4).

[解] 

(1)由X~N(2,σ2),

对称轴x=2,画出示意图,

因为P(0

所以P(0

(2)P(X>4)=

[1-P(0

(1-0.4)=0.3.

10.生产工艺工程中产品的尺寸误差(单位:

mm)X~N(0,1.52),如果产品的尺寸与规定的尺寸偏差的绝对值不超过1.5mm为合格品,求:

(1)X的密度函数;

(2)生产的5件产品的合格率不小于80%的概率.

[解] 

(1)根据题意,知X~N(0,1.52),即μ=0,σ=1.5,所以密度函数φ(x)=

e

.

(2)设Y表示5件产品中的合格品数,每件产品是合格品的概率为P(|X|≤1.5)=P(-1.5≤X≤1.5)=0.6827,

而Y~B(5,0.6827),合格率不小于80%,即Y≥5×0.8=4,

所以P(Y≥4)=P(Y=4)+P(Y=5)=C

×0.68274×(1-0.6827)+0.68275≈0.4929.

[能力提升练]

1.在如图所示的正方形中随机投掷10000个点,则落入阴影部分(曲线C为正态分布N(0,1)的密度曲线)的点的个数的估计值为(  )

A.2387B.2718

C.3414D.4777

附:

若X~N(μ,σ2),则P(μ-σ

P(μ-2σ

C [由P(-1

=3414.]

2.已知一次考试共有60名同学参加,考生的成绩X~N(110,25).据此估计,大约应有57人的分数在区间(  )

A.(90,110]内B.(95,125]内

C.(100,120]内D.(105,115]内

C [

=0.95,故可得大约应有57人的分数在区间(μ-2σ,μ+2σ]内,即在区间(110-2×5,110+2×5]内.]

3.已知正态总体的数据落在区间(-3,-1)里的概率和落在区间(3,5)里的概率相等,那么这个正态总体的数学期望为________.

1 [由题意知区间(-3,-1)与(3,5)关于直线x=μ对称,

因为区间(-3,-1)和区间(3,5)关于x=1对称,所以正态分布的数学期望为1.]

4.已知正态分布N(μ,σ2)的密度曲线是f(x)=

·e

,x∈R的图象.给出以下四个命题:

①对任意x∈R,f(μ+x)=f(μ-x)成立;

②如果随机变量X服从N(μ,σ2),且F(x)=P(X

③如果随机变量X服从N(108,100),那么X的期望是108,标准差是100;

④随机变量X服从N(μ,σ2),P(X<1)=

,P(X>2)=p,则P(0

其中,真命题的序号是________.(写出所有真命题的序号)

①②④ [如果随机变量X~N(108,100),所以μ=108,σ2=100,即σ=10,故③错,

故①正确,由正态分布密度函数性质以及概率的计算知②④正确,故填①②④.]

5.从某企业生产的某种产品中抽取500件,测量这些产品的一项质量指标值,由测量结果得如下频率分布直方图:

(1)求这500件产品质量指标值的样本平均数

和样本方差s2(同一组中的数据用该组区间的中点值作代表);

(2)由直方图可以认为,这种产品的质量指标值Z服从正态分布N(μ,σ2),其中μ近似为样本平均数

,σ2近似为样本方差s2.

①利用该正态分布,求P(187.8

②某用户从该企业购买了100件这种产品,记X表示这100件产品中质量指标值位于区间(187.8,212.2)的产品件数,利用①的结果,求E(X).

附:

≈12.2.

若Z~N(μ,σ2),则P(μ-σ

[解] 

(1)抽取产品的质量指标值的样本平均数

和样本方差s2分别为

=170×0.02+180×0.09+190×0.22+200×0.33+210×0.24+220×0.08+230×0.02=200,

s2=(-30)2×0.02+(-20)2×0.09+(-10)2×0.22+0×0.33+102×0.24+202×0.08+302×0.02=150.

(2)①由

(1)知,Z~N(200,150),从而P(187.8

②由①知,一件产品的质量指标值位于区间(187.8,212.2)的概率为0.6827,依题意知X~B(100,0.6827),所以E(X)=100×0.6827=68.27.

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