Co to jest standardowy rozkład normalny?

Krzywe dzwonowe z różnymi średnimi i odchyleniami standardowymi mają ten sam ogólny kształt, ale różnią się środkami i rozpiętościami. (CK Taylor)

Krzywe dzwonowe pojawiają się w statystykach. Różnorodne pomiary, takie jak średnice nasion, długości rybich płetw, wyniki na SAT i waga poszczególnych arkuszy ryzy papieru, tworzą krzywe dzwonowe, gdy są przedstawiane na wykresach. Ogólny kształt wszystkich tych krzywych jest taki sam. Ale wszystkie te krzywe są różne, ponieważ jest wysoce nieprawdopodobne, aby którakolwiek z nich miała tę samą średnią lub odchylenie standardowe. Krzywe dzwonowe z dużymi odchyleniami standardowymi są szerokie, a krzywe dzwonowe z małymi odchyleniami standardowymi są chude. Krzywe dzwonowe z większymi średnimi są przesunięte bardziej w prawo niż te z mniejszymi średnimi.​

Przykład

Aby było to trochę bardziej konkretne, załóżmy, że mierzymy średnice 500 ziaren kukurydzy. Następnie rejestrujemy, analizujemy i tworzymy wykresy tych danych. Stwierdzono, że zestaw danych ma kształt krzywej dzwonowej i ma średnią 1,2 cm z odchyleniem standardowym 0,4 cm. Załóżmy teraz, że robimy to samo z 500 ziarnami i stwierdzamy, że mają one średnią średnicę 0,8 cm z odchyleniem standardowym wynoszącym 0,04 cm.

Krzywe dzwonowe z obu tych zestawów danych są wykreślone powyżej. Czerwona krzywa odpowiada danym dotyczącym kukurydzy, a zielona krzywa odpowiada danym dotyczącym fasoli. Jak widać, środki i rozpiętości tych dwóch krzywych są różne.

Są to wyraźnie dwie różne krzywe dzwonowe. Są różne, ponieważ ich środki i odchylenia standardowe nie pasują. Ponieważ każdy interesujący zestaw danych, z którym się spotykamy, może mieć dowolną liczbę dodatnią jako odchylenie standardowe i dowolną liczbę jako średnią, tak naprawdę po prostu drapiemy powierzchnię nieskończony liczba krzywych dzwonowych. To dużo krzywych i zdecydowanie za dużo, by sobie z nimi poradzić. Jakie jest rozwiązanie?

Bardzo specjalna krzywa dzwonowa

Jednym z celów matematyki jest uogólnianie rzeczy, kiedy tylko jest to możliwe. Czasami kilka indywidualnych problemów jest szczególnymi przypadkami jednego problemu. Ta sytuacja z krzywymi dzwonowymi jest tego doskonałą ilustracją. Zamiast zajmować się nieskończoną liczbą krzywych dzwonowych, możemy powiązać je wszystkie z jedną krzywą. Ta specjalna krzywa dzwonowa nazywana jest standardową krzywą dzwonową lub standardowym rozkładem normalnym.

Standardowa krzywa dzwonowa ma średnią zero i odchylenie standardowe równe jeden. Dowolną inną krzywą dzwonową można porównać z tym standardem za pomocą aproste obliczenia.

Cechy standardowego rozkładu normalnego

Wszystkie właściwości dowolnej krzywej dzwonowej zachowują standardowy rozkład normalny.

• Standardowy rozkład normalny ma nie tylko średnią równą zero, ale także medianę i modę zerową. To jest środek krzywej.
• Standardowy rozkład normalny pokazuje symetrię lustrzaną na zero. Połowa krzywej znajduje się na lewo od zera, a połowa krzywej znajduje się na prawo. Gdyby krzywa została złożona wzdłuż pionowej linii na zero, obie połówki pasowałyby idealnie.
• Standardowy rozkład normalny jest zgodny z regułą 68-95-99,7, która pozwala w łatwy sposób oszacować:
  • Około 68% wszystkich danych zawiera się w przedziale od -1 do 1.
  • Około 95% wszystkich danych zawiera się w przedziale od -2 do 2.
  • Około 99,7% wszystkich danych zawiera się w przedziale od -3 do 3.

Dlaczego nam zależy

W tym momencie możemy zapytać, po co zawracać sobie głowę standardową krzywą dzwonową? Może się to wydawać niepotrzebną komplikacją, ale standardowa krzywa dzwonowa będzie korzystna, gdy będziemy kontynuować statystyki.

Przekonamy się, że jeden rodzaj problemu w statystykach wymaga od nas znalezienia obszarów pod częściami każdej napotkanej krzywej dzwonowej. Krzywa dzwonowa nie jest fajnym kształtem dla obszarów. To nie jest prostokąt lub trójkąt prostokątny które mają łatwe formuły powierzchni . Znalezienie obszarów części krzywej dzwonowej może być trudne, tak trudne, że musielibyśmy użyć trochę rachunku różniczkowego. Jeśli nie ujednolicimy naszych krzywych dzwonowych, za każdym razem, gdy chcemy znaleźć obszar, musielibyśmy wykonać rachunek różniczkowy. Jeśli ujednolicimy nasze krzywe, cała praca związana z obliczaniem powierzchni została wykonana za nas.