人教A版(新教材)高中數(shù)學(xué)選擇性必修第三冊(cè)學(xué)案：7 5 　正態(tài)分布

人教A版(新教材)高中數(shù)學(xué)選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE17.5正態(tài)分布課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.通過(guò)誤差模型，了解服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量；通過(guò)具體實(shí)例，借助頻率分布直方圖的幾何直觀，了解正態(tài)分布的特征.2.理解正態(tài)曲線的特點(diǎn)，明確正態(tài)分布中參數(shù)μ，σ的意義及其對(duì)正態(tài)曲線形狀的影響.通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解正態(tài)分布的特征，能夠利用正態(tài)曲線分析實(shí)際問(wèn)題，提升數(shù)學(xué)抽象、數(shù)學(xué)建模及數(shù)據(jù)分析素養(yǎng).自主梳理1.正態(tài)曲線函數(shù)f(x)＝eq\f(1,σ\r(2π))e－eq\f(（x－μ）2,2σ2)，x∈R，其中μ∈R，σ>0為參數(shù).顯然對(duì)于任意x∈R，f(x)>0，它的圖象在x軸的上方.可以證明x軸和曲線之間的區(qū)域的面積為1.我們稱f(x)為正態(tài)密度函數(shù)，稱它的圖象為正態(tài)密度曲線，簡(jiǎn)稱正態(tài)曲線.若隨機(jī)變量X的概率分布密度函數(shù)為f(x)，則稱隨機(jī)變量X服從正態(tài)分布，記為X～N(μ，σ2)，特別地，當(dāng)μ＝0，σ＝1時(shí)，稱隨機(jī)變量X服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.2.正態(tài)曲線的特點(diǎn)(1)曲線是單峰的，它關(guān)于直線x＝μ對(duì)稱；(2)曲線在x＝μ處達(dá)到峰值eq\f(1,σ\r(2π))；(3)當(dāng)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(x))無(wú)限增大時(shí)，曲線無(wú)限接近x軸.3.正態(tài)分布的期望與方差若X～N(μ，σ2)，則E(X)＝μ，D(X)＝σ2.4.正態(tài)變量在三個(gè)特殊區(qū)間內(nèi)取值的概率(1)P(μ－σ≤X≤μ＋σ)≈0.682__7；(2)P(μ－2σ≤X≤μ＋2σ)≈0.954__5；(3)P(μ－3σ≤X≤μ＋3σ)≈0.997__3.在實(shí)際應(yīng)用中，通常認(rèn)為服從于正態(tài)分布N(μ，σ2)的隨機(jī)變量X只取〖μ－3σ，μ＋3σ〗中的值，這在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為3σ原則.(1)正態(tài)曲線關(guān)于直線x＝μ對(duì)稱(即μ決定正態(tài)曲線對(duì)稱軸的位置)，具有中間高、兩邊低的特點(diǎn)；(2)正態(tài)曲線始終位于x軸上方，且與x軸所圍成的圖形面積為1；(3)σ決定正態(tài)曲線的“胖瘦”：σ越大，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)差越大，數(shù)據(jù)的集中程度越弱，所以曲線越“胖”；σ越小，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)差越小，數(shù)據(jù)的集中程度越強(qiáng)，所以曲線越“瘦”.自主檢驗(yàn)1.思考辨析，判斷正誤(1)函數(shù)f(x)＝eq\f(1,σ\r(2π))e－eq\f(（x－μ）2,2σ2)(x∈R)中參數(shù)μ，σ的意義分別是樣本的均值與方差.(×)〖提示〗函數(shù)中σ的意義為標(biāo)準(zhǔn)差.(2)正態(tài)曲線是單峰的，其與x軸圍成的面積是隨參數(shù)μ，σ的變化而變化的.(×)〖提示〗正態(tài)曲線與x軸圍成的面積為定值1.(3)正態(tài)曲線可以關(guān)于y軸對(duì)稱.(√)(4)正態(tài)分布定義中的式子實(shí)際上是指隨機(jī)變量X的取值在區(qū)間〖a，b〗上的概率等于正態(tài)曲線與直線x＝a，x＝b以及x軸所圍成的封閉圖形的面積.(√)2.若X～Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,4)))，Y＝6X，則E(Y)等于()A.1 B.eq\f(3,2)C.6 D.36〖答案〗C〖解析〗由X～Neq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,4)))，知E(X)＝1，又Y＝6X，故E(Y)＝6E(X)＝6.3.設(shè)隨機(jī)變量X～N(μ，σ2),且P(X≤c)＝P(X＞c),則c等于()A.0 B.σC.－μ D.μ〖答案〗D〖解析〗由P(X≤c)＝P(X＞c)，知x＝c為對(duì)稱軸，又由X～N(μ，σ2)知對(duì)稱軸為x＝μ，故c＝μ.4.設(shè)隨機(jī)變量ξ服從正態(tài)分布N(2，9)，若P(X>c＋1)＝P(X<c－1)，則c等于__________.〖答案〗2〖解析〗∵X～N(2，9)，又P(X>c＋1)＝P(X<c－1)，∴eq\f(c＋1＋c－1,2)＝2，∴c＝2.題型一正態(tài)曲線的應(yīng)用〖例1〗如圖所示是一個(gè)正態(tài)分布的圖象，試根據(jù)該圖象寫出正態(tài)密度函數(shù)的〖解析〗式，求出隨機(jī)變量總體的均值和方差.解從給出的正態(tài)曲線可知該正態(tài)曲線關(guān)于直線x＝20對(duì)稱，最大值是eq\f(1,2\r(π))，所以μ＝20.由eq\f(1,σ\r(2π))＝eq\f(1,2\r(π))，解得σ＝eq\r(2).于是該正態(tài)密度函數(shù)的〖解析〗式是f(x)＝eq\f(1,2\r(π))eeq\f(－（x－20）2,4)，x∈(－∞，＋∞)，隨機(jī)變量總體的均值是μ＝20，方差是σ2＝(eq\r(2))2＝2.思維升華利用圖象求正態(tài)密度函數(shù)的〖解析〗式，應(yīng)抓住圖象的兩個(gè)實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)：一是對(duì)稱軸為x＝μ，二是最大值為eq\f(1,σ\r(2π))，這兩點(diǎn)確定以后，相應(yīng)參數(shù)μ，σ便確定了，代入f(x)中便可求出相應(yīng)的〖解析〗式.〖訓(xùn)練1〗若一個(gè)正態(tài)密度函數(shù)是一個(gè)偶函數(shù)，且該函數(shù)的最大值為eq\f(1,4\r(2π))，求該正態(tài)密度函數(shù)的〖解析〗式.解由于該正態(tài)密度函數(shù)是一個(gè)偶函數(shù)，所以正態(tài)曲線關(guān)于y軸對(duì)稱，即μ＝0，又該函數(shù)的最大值是eq\f(1,4\r(2π))，所以eq\f(1,\r(2π)·σ)＝eq\f(1,4\r(2π))，解得σ＝4.故所求正態(tài)密度函數(shù)的〖解析〗式為f(x)＝eq\f(1,4\r(2π))e－eq\f(x2,32)，x∈(－∞，＋∞).題型二利用正態(tài)分布的對(duì)稱性求概率〖例2〗設(shè)X～N(1，22)，試求：(1)P(－1≤X≤3)；(2)P(3≤X≤5).解∵X～N(1，22)，∴μ＝1，σ＝2，(1)P(－1≤X≤3)＝P(1－2≤X≤1＋2)＝P(μ－σ≤X≤μ＋σ)≈0.6827.(2)∵P(3≤X≤5)＝P(－3≤X≤－1)，∴P(3≤X≤5)＝eq\f(1,2)〖P(－3≤X≤5)－P(－1≤X≤3)〗＝eq\f(1,2)〖P(1－4≤X≤1＋4)－P(1－2≤X≤1＋2)〗＝eq\f(1,2)〖P(μ－2σ≤X≤μ＋2σ)－P(μ－σ≤X≤μ＋σ)〗≈eq\f(1,2)×(0.9545－0.6827)＝0.1359.〖遷移1〗(變換所求)例2條件不變，求P(X≥5).解P(X≥5)＝P(X≤－3)＝eq\f(1,2)〖1－P(－3＜X≤5)〗＝eq\f(1,2)〖1－P(1－4＜X≤1＋4)〗＝eq\f(1,2)〖1－P(μ－2σ＜X≤μ＋2σ)〗≈eq\f(1,2)×(1－0.9545)＝0.02275.〖遷移2〗(變換條件)已知隨機(jī)變量X服從正態(tài)分布N(2，σ2)，且P(X＜4)＝0.8，則P(0＜X＜2)＝()A.0.6 B.0.4C.0.3 D.0.2〖答案〗C〖解析〗∵隨機(jī)變量X服從正態(tài)分布N(2，σ2)，∴μ＝2，對(duì)稱軸是x＝2.∵P(X＜4)＝0.8，∴P(X≥4)＝P(X≤0)＝0.2，∴P(0＜X＜4)＝0.6.∴P(0＜X＜2)＝0.3.故選C.思維升華利用正態(tài)分布求概率的兩個(gè)方法(1)對(duì)稱法：由于正態(tài)曲線是關(guān)于直線x＝μ對(duì)稱的，且概率的和為1，故關(guān)于直線x＝μ對(duì)稱的區(qū)間概率相等.如：①P(X＜a)＝1－P(X≥a)；②P(X＜μ－a)＝P(X＞μ＋a).(2)“3σ”法：利用X落在區(qū)間〖μ－σ，μ＋σ〗，〖μ－2σ，μ＋2σ〗，〖μ－3σ，μ＋3σ〗內(nèi)的概率分別是0.6827，0.9545，0.9973求解.〖訓(xùn)練2〗設(shè)X～N(1，1)，試求：(1)P(0<X≤2)；(2)P(2<X≤3)；(3)P(X≥3).解∵X～N(1，1)，∴μ＝1，σ＝1.(1)P(0<X≤2)＝P(1－1<X≤1＋1)＝P(μ－σ<X≤μ＋σ)≈0.6827.(2)∵P(2<X≤3)＝P(－1<X≤0)，∴P(2<X≤3)＝eq\f(1,2)〖P(－1<X≤3)－P(0<X≤2)〗＝eq\f(1,2)〖P(1－2<X≤1＋2)－P(1－1<X≤1＋1)〗＝eq\f(1,2)〖P(μ－2σ<X≤μ＋2σ)－P(μ－σ<X≤μ＋σ)〗≈eq\f(1,2)×(0.9545－0.6827)＝0.1359.(3)∵P(X≥3)＝P(X≤－1)，∴P(X≥3)＝eq\f(1,2)〖1－P(1－2<X≤1＋2)〗＝eq\f(1,2)〖1－P(μ－2σ<X≤μ＋2σ)〗≈eq\f(1,2)×(1－0.9545)＝0.02275.題型三正態(tài)分布的實(shí)際應(yīng)用〖例3〗某廠生產(chǎn)的圓柱形零件的外直徑X(單位：cm)服從正態(tài)分布N(4，0.52).質(zhì)檢人員從該廠生產(chǎn)的1000件零件中隨機(jī)抽查1件，測(cè)得它的外直徑為5.7cm，試問(wèn)：該廠生產(chǎn)的這批零件是否合格？解由于外直徑X～N(4，0.52)，則X在〖4－3×0.5，4＋3×0.5〗，即〖2.5，5.5〗之內(nèi)取值的概率為0.9973，在〖2.5，5.5〗之外取值的概率為0.0027，而5.7?〖2.5，5.5〗，這說(shuō)明在一次試驗(yàn)中，出現(xiàn)了幾乎不可能發(fā)生的小概率事件，據(jù)此可以認(rèn)為這批零件是不合格的.思維升華解題時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意零件尺寸應(yīng)落在〖μ－3σ，μ＋3σ〗之內(nèi)，否則可以認(rèn)為該批產(chǎn)品不合格.判斷的根據(jù)是小概率事件在一次試驗(yàn)中幾乎是不可能發(fā)生的，而一旦發(fā)生了，就可以認(rèn)為這批產(chǎn)品不合格.〖訓(xùn)練3〗在某次大型考試中，某班同學(xué)的成績(jī)服從正態(tài)分布N(80，52)，現(xiàn)在已知該班同學(xué)中成績(jī)?cè)?0～85分的有17人，則該班成績(jī)?cè)?0分以上的同學(xué)有多少人？解∵成績(jī)服從正態(tài)分布N(80，52)，∴μ＝80，σ＝5，則μ－σ＝75，μ＋σ＝85.∴成績(jī)?cè)凇?5，85〗內(nèi)的同學(xué)占全班同學(xué)的68.27%，成績(jī)?cè)凇?0，85〗內(nèi)的同學(xué)占全班同學(xué)的34.135%.設(shè)該班有x名同學(xué)，則x·34.135%＝17，解得x≈50.∵μ－2σ＝80－10＝70，μ＋2σ＝80＋10＝90，∴成績(jī)?cè)凇?0，90〗內(nèi)的同學(xué)占全班同學(xué)的95.45%，成績(jī)?cè)?0分以上的同學(xué)占全班同學(xué)的eq\f(1,2)(1－95.45%)＝2.275%，即有50×2.275%≈1(人