概要¶
正規分布(normal distribution)は、統計学において最も重要な連続確率分布である。ガウス分布(Gaussian distribution)とも呼ばれる。
中心極限定理により、多数の独立な確率変数の和は(元の分布の形状によらず)正規分布に近づくため、自然現象や社会現象の多くが近似的に正規分布に従う。統計的推測の多くの手法は正規分布を前提として構築されている。
確率密度関数¶
確率変数が平均、分散の正規分布に従うとは、の確率密度関数が
で与えられることをいい、この分布をで表す。
: 平均(location parameter)
: 分散(, scale parameter)
のとき標準正規分布と呼ぶ。
図¶
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from scipy.stats import norm
x = np.linspace(-6, 6, 300)
fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=[8, 3])
params = [(0, 1), (0, 2), (0, 0.5), (2, 1)]
for mu, sigma in params:
pdf = norm.pdf(x, loc=mu, scale=sigma)
axes[0].plot(x, pdf, label=fr"$\mu={mu}, \sigma={sigma}$")
cdf = norm.cdf(x, loc=mu, scale=sigma)
axes[1].plot(x, cdf, label=fr"$\mu={mu}, \sigma={sigma}$")
axes[0].set(title="PDF", xlabel="x", ylabel="f(x)")
axes[0].legend(fontsize=8)
axes[1].set(title="CDF", xlabel="x", ylabel="F(x)")
axes[1].legend(fontsize=8)
fig.tight_layout()
fig.show()性質¶
に関して対称な分布であり、平均=中央値=最頻値
再生性: が独立なら
最大エントロピー性: 平均と分散を固定したとき、エントロピーを最大にする連続分布は正規分布である
中心極限定理: 独立同一分布に従う確率変数の標準化された和は、元の分布に関わらず正規分布に収束する
線形変換: のとき
標準化:
指数型分布族に属する
68-95-99.7 ルール: データの約68%がに、約95%がに、約99.7%がに含まれる
応用例¶
測定誤差のモデリング
統計的推測の基礎(t検定、信頼区間など)
品質管理(管理図、工程能力指数)
金融工学(ブラック-ショールズモデルにおけるリターンの分布)
機械学習(ガウス過程、正規化など)