Qu'est-ce que Loi normale ?

Loi de probabilité continue en forme de cloche, symétrique autour de la moyenne μ, dont la forme est déterminée par deux paramètres, la moyenne μ et l'écart type σ. On l'appelle aussi loi de Gauss. Environ 68 % des valeurs se trouvent dans la moyenne ±1σ, environ 95 % dans ±2σ et environ 99,7 % dans ±3σ. Une grandeur formée par l'addition de nombreux petits facteurs indépendants tend vers une loi normale (théorème central limite) ; elle est donc très utilisée comme modèle des erreurs de mesure et de la variabilité de fabrication. Le changement de variable z = (x − μ) ÷ σ la ramène à la loi normale centrée réduite, de moyenne 0 et d'écart type 1.

Nom japonais: 正規分布

« Loi normale » apparaît dans 4 questions d'entraînement réparties sur 2 thèmes, dont Probabilités, statistiques et files d'attente, Rendement et contrôle qualité.

Domaine: Probabilités, statistiques et files d'attente

Forme et propriétés

La loi normale a une forme de cloche, avec un maximum à la moyenne et une décroissance rapide à mesure qu'on s'en éloigne. Changer la moyenne déplace la courbe vers la gauche ou la droite sans changer sa forme, et augmenter l'écart type l'aplatit et l'élargit. Les proportions comprises dans la moyenne ±1σ, ±2σ et ±3σ valent respectivement environ 68,3 %, 95,4 % et 99,7 % ; retenir cette « règle 68-95-99,7 » permet d'estimer rapidement une dispersion.

Centrage, réduction et loi normale centrée réduite

Quelles que soient sa moyenne et son écart type, une loi normale devient, par le changement de variable z = (x − μ) ÷ σ, la loi normale centrée réduite, de moyenne 0 et d'écart type 1. Comme z indique « à combien d'écarts types de la moyenne » se trouve une valeur, on peut comparer des données d'unités ou de moyennes différentes. Les tables de la loi normale (tables des probabilités cumulées) sont établies pour cette loi centrée réduite ; par exemple, l'intervalle bilatéral à 95 % vaut ±1,96.

Pourquoi elle apparaît si souvent

Une grandeur formée par l'addition de nombreux petits facteurs indépendants tend vers une loi normale, quelle que soit la loi de chaque facteur (théorème central limite). C'est pourquoi les erreurs de mesure, ou les cotes qui accumulent les petites variations de nombreuses étapes de fabrication, suivent approximativement une loi normale. Le fait que la loi de la moyenne d'échantillon puisse être approchée par une loi normale est aussi à la base du calcul d'un intervalle de confiance ou d'un test d'hypothèse.

S'entraîner : questions sur Loi normale

La cote d'une pièce suit une loi normale de moyenne 50,0 mm et d'écart type 0,1 mm. Quelle valeur est la plus proche de la proportion de pièces dont la cote est comprise entre 49,7 mm et 50,3 mm ?

  1. AEnviron 68 %
  2. BEnviron 95 %
  3. CEnviron 99,7 %
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Réponse : C. Environ 99,7 %

L'intervalle de 49,7 à 50,3 mm correspond à la moyenne ±0,3 mm, c'est-à-dire ±3 fois l'écart type (±3σ). Pour une loi normale, environ 68 % des valeurs se trouvent dans l'intervalle moyenne ±1σ, environ 95 % dans ±2σ et environ 99,7 % dans ±3σ (règle 68-95-99,7). La proportion dans cet intervalle est donc d'environ 99,7 %.

Le retard d'un chemin d'un circuit varie d'une puce à l'autre selon une loi normale de moyenne 940 ps et d'écart type 30 ps. En prenant environ 95,4 % pour la proportion d'une loi normale comprise dans l'intervalle moyenne ±2σ, quelle valeur est la plus proche de la proportion de puces dont le retard dépasse la période d'horloge de 1000 ps ?

  1. AEnviron 2,3 %
  2. BEnviron 4,6 %
  3. CEnviron 95,4 %
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Réponse : A. Environ 2,3 %

Le centrage et la réduction donnent z = (1000 − 940) ÷ 30 = 2 : il faut donc la proportion de puces au-delà de la moyenne +2σ. La proportion en dehors de ±2σ vaut 100 − 95,4 = 4,6 %, et comme la loi normale est symétrique, le côté supérieur seul représente 4,6 ÷ 2 = 2,3 %. Traiter ainsi la variation du retard comme une loi de probabilité permet d'estimer la proportion de puces qui ne respectent pas les contraintes de timing.

Questions fréquentes

Quel est le rapport avec les « 3σ » de la maîtrise des procédés ?

Sur une carte de contrôle, si le procédé est stable et suit une loi normale, la probabilité qu'un point sorte de la moyenne ±3σ sous l'effet du seul hasard n'est que d'environ 0,27 %. On trace donc les limites de contrôle à ±3σ, et l'on juge qu'un point qui en sort indique probablement une anomalie qui ne doit rien au hasard. La démarche Six Sigma repose elle aussi sur l'idée de mesurer, en nombre d'écarts types, la marge qui reste jusqu'aux limites de la spécification.

Peut-on considérer que toutes les données suivent une loi normale ?

Non. Beaucoup de données ne suivent pas une loi normale : la durée de vie des composants suit une loi log-normale ou une loi de Weibull, les intervalles entre arrivées une loi exponentielle, le nombre d'événements rares une loi de Poisson. En particulier, la probabilité des « queues », loin de la moyenne, peut varier de plusieurs ordres de grandeur selon la forme de la loi. On trace un histogramme pour vérifier la forme avant de décider d'utiliser la loi normale.

« Loi normale » dans les explications

Questions mentionnant « Loi normale » (4)

  1. La cote d'une pièce suit une loi normale de moyenne 50,0 mm et d'écart type 0,1 mm. Quelle valeur est la plus proche de la proportion de pièces dont la cote est comprise entre 49,7 mm et 50,3 mm ?
  2. Le retard d'un chemin d'un circuit varie d'une puce à l'autre selon une loi normale de moyenne 940 ps et d'écart type 30 ps. En prenant environ 95,4 % pour la proportion d'une loi normale comprise dans l'intervalle moyenne ±2σ, quelle valeur est la plus proche de la proportion de puces dont le retard dépasse la période d'horloge de 1000 ps ?
  3. On sait que l'écart type d'une population vaut 10. Un échantillon de taille 100 tiré de cette population a une moyenne de 50,0. En prenant 1,96 comme valeur bilatérale à 95 % de la loi normale centrée réduite, quel est l'intervalle de confiance à 95 % de la moyenne de la population ?
  4. Comment fixe-t-on généralement les limites de contrôle d'une carte de contrôle (carte de Shewhart) utilisée pour la maîtrise des procédés ?

Termes associés

Écart type Intervalle de confiance Carte de contrôle Arrangements et combinaisons Coefficient de corrélation Espérance (espérance mathématique) Loi binomiale Loi de Poisson Loi exponentielle Médiane

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