The Normal Distribution
身長・テストの点数・製品の寸法など、自然界や社会の多くの連続量は「平均の周りに集まり、両端ほど少なくなる」釣鐘型(ベルカーブ)の分布をします。これを正規分布といいます。A-Level では、平均 と標準偏差 さえ分かれば、標準化という操作で1つの標準正規分布に置き換え、 の表から確率を読み取れます。逆に「上位5%の境界点」のような値の逆算もできるようになります。
Many continuous quantities in nature and society — heights, test scores, the dimensions of manufactured parts — cluster around an average and thin out towards the extremes, forming a bell-shaped curve. This is the normal distribution. At A-Level, once you know the mean and standard deviation , a process called standardising turns any normal distribution into a single standard one, so you can read probabilities from a table of . You can also work backwards to find a value, such as the cut-off for the top 5%.
The Bell Curve and the Notation $X\sim N(\mu,\sigma^2)$
正規分布は平均 を中心に左右対称の釣鐘型をしています。広がり具合は標準偏差 で決まり、 が大きいほど横に広く・低くなります。確率変数 が平均 、分散 の正規分布に従うことを、記号で と書きます。括弧の中の2つめは分散(標準偏差の2乗)であることに注意。曲線とx軸が囲む全面積は で、これが全確率に対応します。
The normal distribution is a bell shape, symmetric about its mean . Its spread is controlled by the standard deviation : a larger makes the curve wider and flatter. We write to say that the random variable follows a normal distribution with mean and variance . Note that the second number in the brackets is the variance (the square of the standard deviation). The total area between the curve and the x-axis is , matching total probability.
Standardising: Converting to a $z$-score
正規分布は と の組み合わせで無数にありますが、標準化すればすべて1つの標準正規分布 に揃えられます。値 を、平均からの距離を標準偏差何個分かで測り直したものが 得点です。 は「平均より上か下か(符号)」と「どれだけ離れているか(大きさ)」を同時に表します。例えば なら平均より標準偏差 個分だけ上、という意味です。
There are infinitely many normal distributions, one for each pair and , but standardising collapses them all onto one standard normal distribution . The -score re-measures a value as the number of standard deviations it lies from the mean. The sign of tells you whether is above or below the mean, and its size tells you how far. For example, means two standard deviations above the mean.
Finding Probabilities with $\Phi(z)$
標準正規分布で「 以下になる確率」を と書き、これは表(または電卓)から読み取ります。よく使う値として 、、 があります。 を求めたいときは、まず を計算し、 を読むだけ。「 より大きい」確率は で求めます。
In the standard normal distribution, the probability of being at most is written , read from a table (or a calculator). Useful values to know are , and . To find , simply compute and read off . For a 'greater than' probability, use .
Symmetry: $\Phi(-z)=1-\Phi(z)$
標準正規分布の表は普通 の値しか載っていません。負の に対しては、曲線が を中心に左右対称であることを使って と変換します。例えば 。区間の確率 は、両端を標準化して で計算します。平均をまたぐ対称な区間 なら、 という形に簡単化できます。
Standard normal tables usually list only . For negative , use the symmetry of the curve about : . For example, . The probability of an interval, , is found by standardising both ends and computing . For a symmetric interval about the mean, , this simplifies neatly to .
Finding a Value from a Given Probability
「下から にあたる点はどこか」のように、確率から値 を逆に求める問題もあります。手順は標準化の逆:まず与えられた確率 になる を表から逆引きし(例: なら )、次に を と変形して値を求めます。確率が より小さい場合は が負になる点に注意。
Some problems run the other way: given a probability, find the value — for instance, 'what value lies at the point from below?' The method reverses standardising. First look up the that gives the stated (e.g. gives ), then rearrange into . Remember that if the probability is below , the -value is negative.
Worked examples
Practice
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