Перейти до вмісту
Обране

Калькулятор нормального розподілу

Оновлено:

Вкажіть середнє значення, стандартне відхилення та значення (або дві межі), щоб отримати щільність імовірності, кумулятивні імовірності P(X x), P(a < X < b) та z-показник для нормального розподілу.

Знайдіть імовірності нормального розподілу

Поля введення
μ
Центр кривої Гауса.
σ
Розкид розподілу — має бути більшим за 0.
x
Точка, у якій обчислюються густина, кумулятивна ймовірність P(X < x) та P(X > x).
Якщо увімкнено, результат оновлюватиметься автоматично після зміни будь-якого значення.

Формула нормального розподілу

Формула
\[ f(x)=\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\,e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} \\ F(x)=P(X<x)=\Phi(z)=\frac{1}{2}\left[1+\operatorname{erf}\!\left(\frac{z}{\sqrt{2}}\right)\right] \\ z=\frac{x-\mu}{\sigma} \]

Де:

  • \(\mu\) — середнє значення, центр дзвоноподібної кривої
  • \(\sigma\) — стандартне відхилення, розкид розподілу (має бути додатним)
  • \(x\) — значення, для якого обчислюється щільність та імовірності
  • \(f(x)\) — функція щільності імовірності (PDF), висота кривої в точці \(x\)
  • \(F(x)\) — функція розподілу (CDF), площа під кривою ліворуч від \(x\)
  • \(z\) — z-показник, відстань від середнього, виражена в стандартних відхиленнях
  • \(\Phi\) — функція розподілу стандартного нормального розподілу (\(\mu=0,\ \sigma=1\))

Перше рівняння визначає саму дзвоноподібну криву. Друге перетворює будь-яке значення на z-показник і зчитує імовірність зі стандартної нормальної кривої, тому одна універсальна таблиця (або функція помилок) працює для будь-якого середнього значення та стандартного відхилення.

Нормальний розподіл — приклад обчислення

Приклад: результати тестів IQ приблизно нормально розподілені із середнім значенням 100 і стандартним відхиленням 15. Яка ймовірність того, що випадково обрана особа має IQ нижче 110?

\[ z=\frac{x-\mu}{\sigma}=\frac{110-100}{15}=0.6667 \]

\[ P(X<110)=\Phi(0.6667)=\frac{1}{2}\left[1+\operatorname{erf}\!\left(\frac{0.6667}{\sqrt{2}}\right)\right]\approx 0.7475 \]

Щільність імовірності в цій точці становить \( f(110)=\frac{1}{15\sqrt{2\pi}}e^{-0.6667^2/2}\approx 0.0213 \).

Результат: P(X 110) ≈ 25,25%, а z-показник — 0,6667.

Як користуватися калькулятором

  1. Введіть Середнє значення (μ) — центр вашого розподілу (наприклад, 100).
  2. Введіть Стандартне відхилення (σ) — воно має бути більшим за 0.
  3. Оберіть потрібну Імовірність: нижче значення, вище значення, між двома значеннями або поза діапазоном (два «хвости»).
  4. Для режимів «нижче» та «вище» введіть Значення (x), для якого слід обчислити імовірності.
  5. Для режимів «між» та «поза» введіть Нижню межу (a) та Верхню межу (b); верхня межа має бути більшою за нижню. Ви також можете заповнити x, щоб додатково отримати щільність та кумулятивні імовірності в цій точці.
  6. Зчитайте результати: щільність імовірності, кумулятивну імовірність, імовірність правого «хвоста», площу між межами, z-показник та тлумачення простими словами.

Що таке нормальний розподіл?

Нормальний розподіл (його також називають гаусівським розподілом або дзвоноподібною кривою) — це найширше використовуваний імовірнісний розподіл у статистиці. Він повністю описується лише двома числами: середнім значенням \(\mu\), яке визначає центр кривої, та стандартним відхиленням \(\sigma\), яке контролює, наскільки вона широка чи вузька. Багато природних вимірювань — зріст, похибки вимірювань, результати тестів, артеріальний тиск — приблизно нормально розподілені, значною мірою завдяки центральній граничній теоремі: коли багато малих незалежних впливів додаються разом, їх сума тяжіє до дзвоноподібної кривої.

Крива симетрична відносно середнього і ніколи не торкається нуля, простягаючись нескінненно в обох напрямках. Імовірність будь-якого точного значення дорівнює нулю; натомість імовірності відповідають площам під кривою. Кумулятивна імовірність \(F(x)=P(Xx)=1-F(x)\) — це площа праворуч. Щільність імовірності \(f(x)\) сама по собі не є імовірністю — це висота кривої, корисна для порівняння того, наскільки ймовірними є різні ділянки відносно одна одної.

Z-показник \(z=(x-\mu)/\sigma\) виражає значення як кількість стандартних відхилень від середнього. Z-показник, що дорівнює 2, означає «на два стандартні відхилення вище середнього». Перехід до z-показників — це ключовий прийом: кожен нормальний розподіл, незалежно від його середнього значення та стандартного відхилення, перетворюється на ту саму стандартну нормальну криву, тому імовірності можна зчитувати з однієї універсальної функції.

Тлумачення результату

Правило 68-95-99,7 (емпіричне правило) дає швидку перевірку будь-якої відповіді:

Діапазон навколо середнього Частка даних усередині Частка зовні (обидва «хвости»)
\(\mu \pm 1\sigma\) 68,27% 31,73%
\(\mu \pm 2\sigma\) 95,45% 4,55%
\(\mu \pm 3\sigma\) 99,73% 0,27%

Якщо обчислена імовірність сильно розходиться з цими орієнтирами, подвійно перевірте введені дані. Наприклад, за типових налаштувань імовірність значення нижче 110 (z = 0,67) має бути дещо більшою за 68%, оскільки 110 лежить більш ніж на одне стандартне відхилення вище середнього — і 74,75% відповідає цьому очікуванню.

Припущення, обмеження та практичні поради

  • Припущення нормальності: калькулятор припускає, що ваші дані справді підпорядковані нормальному розподілу. Реальні дані часто є асиметричними, обмеженими або з «важкими хвостами»; імовірності для екстремальних значень особливо чутливі до цього припущення.
  • Строга чи нестрога нерівність: для неперервного розподілу \(P(X<x)\) і \(P(X\le x)\) ідентичні, тому не має значення, яку конвенцію ви використовуєте.
  • Малі імовірності: значення далеко в «хвостах» (|z| понад приблизно 4) дають імовірності, близькі до 0 або 1; калькулятор показує шість знаків після коми, щоб ви могли їх зчитати.
  • Вибірка чи генеральна сукупність: введіть середнє та стандартне відхилення генеральної сукупності, якщо вони вам відомі. Якщо у вас є лише вибіркові оцінки, результати є наближеннями — для малих вибірок більше підходить t-розподіл.
  • Негативне або нульове σ: стандартне відхилення має бути строго додатним; калькулятор відхиляє будь-які інші значення, адже нульовий розкид звів би криву в один пік.
  • Точність: імовірності обчислюються за апроксимацією функції помилок із точністю до приблизно 7 знаків після коми, чого більш ніж достатньо для практичної роботи.

Часті запитання

Як обчислити імовірності нормального розподілу вручну без калькулятора?

Спочатку перетворіть своє значення на z-показник: \(z = (x - \mu) / \sigma\). Потім знайдіть z-показник у таблиці стандартного нормального розподілу (Z-таблиці), яка дає \(P(Z x) = 1 - \Phi(z)\). Для діапазону відніміть два табличні значення: \(P(a < X < b) = \Phi(z_b) - \Phi(z_a)\). Для від'ємного z використайте симетрію кривої: \(\Phi(-z) = 1 - \Phi(z)\).

Який z-показник вважається хорошим або нормальним?

Z-показник показує, на скільки стандартних відхилень значення віддалене від середнього. Значення між −2 і +2 охоплюють приблизно 95% випадків і вважаються типовими. Z-показник понад ±2 є незвичайним (приблизно верхні або нижні 2,5%), а понад ±3 — дуже рідкісним (близько 0,27% даних лежить поза ±3). Взагалі «хорошого» z-показника не існує — все залежить від контексту: у контролі якості бажані z-показники близько 0, тоді як у деяких тестах кращим є високий z-показник.

Чому моя імовірність більша за 1 або щільність більша за 1?

Імовірність ніколи не може перевищувати 1, тому якщо ви це бачите, перевірте введені дані — найчастіше стандартне відхилення було введено не в те поле або є надзвичайно малим. Однак щільність \(f(x)\) більша за 1 — цілком коректна ситуація: щільність — це висота кривої, а не імовірність. Коли \(\sigma\) мала, крива вузька й висока, і висота її піку становить \(1/(\sigma\sqrt{2\pi})\), що легко може перевищувати 1.

Чи можна використовувати цей калькулятор для вибіркових даних або t-розподілу?

Використовуйте його з вибірковими оцінками середнього та стандартного відхилення лише як наближення, бажано щонайменше з 30 спостереженнями. Для малих вибірок (приблизно n < 30), коли стандартне відхилення генеральної сукупності невідоме, більше підходить t-розподіл — він має «важчі хвости», тому екстремальні імовірності помітно відрізняються. Якщо ваші дані — це кількості, частки або сильно асиметричні дані, краще може підійти інший розподіл (Пуассона, біноміальний, логнормальний).

Як знайти значення x, що відповідає заданому перцентилю?

Цей калькулятор працює в прямому напрямку, але ви можете виконати обчислення у зворотному вручну. Візьміть перцентиль як десятковий дріб (90-й перцентиль — це 0,90), знайдіть z-показник, кумулятивна імовірність якого йому дорівнює (для 0,90 це z ≈ 1,2816), а потім виконайте зворотну стандартизацію: \(x = \mu + z \cdot \sigma\). Наприклад, за μ = 100 і σ = 15 90-й перцентиль становить 100 + 1,2816 × 15 ≈ 119,2.

Яка різниця між нормальним розподілом і стандартним нормальним розподілом?

Стандартний нормальний розподіл — це просто окремий випадок з \(\mu = 0\) та \(\sigma = 1\). Кожен нормальний розподіл можна перетворити на нього шляхом стандартизації: відняти середнє та розділити на стандартне відхилення. Саме тому одна універсальна Z-таблиця обслуговує всі нормальні розподіли. Якщо ваше середнє дорівнює 0, а стандартне відхилення — 1, введення їх тут одразу дає стандартний нормальний розподіл.

Чи має значення, чи запитувати P(X < x), чи P(X ≤ x)?

Ні. Для неперервного розподілу, такого як нормальний, імовірність будь-якого окремого точного значення дорівнює нулю — площа під кривою в одній точці дорівнює нулю. Тому \(P(X < x)\) і \(P(X \le x)\) ідентичні, і те саме стосується правого «хвоста». Це стає актуальним лише тоді, коли дискретні дані (наприклад, результати іспитів, округлені до цілих чисел) апроксимуються нормальною кривою — тут поправка на неперервність ±0,5 може підвищити точність.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *