什麼是常態分布

以平均μ為中心、左右對稱呈鐘形的連續機率分布,形狀由平均μ與標準差σ兩者決定。也稱為高斯分布。約68%落在平均 ±1σ、約95%落在 ±2σ、約99.7%落在 ±3σ之內。由許多微小而獨立的因素相加而成的量會趨近常態分布(中央極限定理),因此廣泛用作測量誤差與製造變異的模型。以 z = (x − μ) ÷ σ 標準化後,會成為平均0、標準差1的標準常態分布。

日文名稱: 正規分布

「常態分布」出現在1領域的3道練習題中(機率、統計與等候理論等)。

這個名詞所屬的領域: 機率、統計與等候理論

形狀與性質

常態分布在平均處最高,越遠離平均越急遽變低,呈鐘形。改變平均時,形狀不變而左右移動;標準差變大時,則變低並向兩側擴展。落在平均 ±1σ、±2σ、±3σ內的比例分別約為68.3%、95.4%、99.7%,記住這個「68-95-99.7法則」,就能快速估計變異。

標準化與標準常態分布

任何平均與標準差的常態分布,經過 z = (x − μ) ÷ σ 的轉換,都會成為平均0、標準差1的標準常態分布。z表示「離平均有幾倍標準差」,因此可以比較單位或平均不同的資料。常態分布表(累積機率表)就是針對這個標準常態分布所製作的,例如雙尾95%的範圍為 ±1.96。

為什麼經常出現

由許多彼此獨立的微小因素相加而成的量,不論個別因素的分布如何,都會趨近常態分布(中央極限定理)。測量誤差,以及由許多製程的微小變異累積而成的尺寸等會接近常態分布,就是這個原因。樣本平均數的分布可以用常態分布近似,這一點也是信賴區間與假設檢定計算的基礎。

練習常態分布的題目

某電路路徑的延遲依晶片而異,服從平均940 ps、標準差30 ps的常態分布。取常態分布中落在平均 ±2σ範圍內的比例約為95.4%時,延遲超過時脈週期1,000 ps的晶片比例最接近下列何者?

  1. A約2.3%
  2. B約4.6%
  3. C約95.4%
查看答案與解析

正確答案:A. 約2.3%

標準化後 z = (1,000 − 940) ÷ 30 = 2,因此要求的是超過平均 +2σ的晶片比例。±2σ之外為 100 − 95.4 = 4.6%,而常態分布左右對稱,因此只看上側為 4.6 ÷ 2 = 2.3%。像這樣把延遲的變異當作機率分布來處理,就能估計不符合時序要求的晶片比例。

常見問題

與製程管制的「3σ」有什麼關係?

在管制圖中,若製程穩定且服從常態分布,只因偶然的變異而使點落在平均 ±3σ之外的機率只有約0.27%。因此把管制界限畫在 ±3σ,落在界限外的點便判斷為很可能不是偶然而是異常。六標準差(Six Sigma)也是基於到規格界限為止要留多少倍標準差餘裕的想法。

任何資料都可以視為常態分布嗎?

不行。零件的壽命服從對數常態分布或韋伯分布、到達的間隔服從指數分布、少見事件的次數服從卜瓦松分布等,不服從常態分布的資料也很多。特別是遠離平均的「尾部」機率,可能因分布形狀的不同而相差好幾個數量級。應先畫直方圖確認形狀,再判斷是否使用常態分布。

解析中的「常態分布」

出現「常態分布」的題目(3題)

  1. 某零件的尺寸服從平均50.0 mm、標準差0.1 mm的常態分布。尺寸落在49.7 mm到50.3 mm範圍內的零件比例最接近下列何者?
  2. 某電路路徑的延遲依晶片而異,服從平均940 ps、標準差30 ps的常態分布。取常態分布中落在平均 ±2σ範圍內的比例約為95.4%時,延遲超過時脈週期1,000 ps的晶片比例最接近下列何者?
  3. 已知母體的標準差為10。從此母體抽出大小為100的樣本,樣本平均數為50.0。取標準常態分布中雙尾95%所對應的值為1.96時,母體平均數的95%信賴區間為下列何者?

相關名詞

標準差 信賴區間 二項分布 卜瓦松分布 中位數 四分位數 貝氏定理 指數分布 相關係數 假設檢定

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