Нормальный закон распределения – самый распространенный в природе. Он описывает явления, на которые влияет большое число незначительных факторов. Особое значение этот закон имеет в технике и, в частности, в строительстве. Большое число самых разных технических характеристик, имеющих разброс значений вследствие неоднородности химического состава и физических свойств материалов, невозможности полного совпадения параметров повторяющихся технологических операций, ненулевых допусков изделий и конструкций, неточностей и субъективности измерений и т.п., подчиняются нормальному закону.
Плотность нормального распределения вероятностей непрерывной случайной величины описывается формулой:
, (3.17)
где a - математическое ожидание;
- среднеквадратическое отклонение (стандарт).
Эта функция симметрична относительно ее математического ожидания (рис. 3.1, а).
Функция распределения нормального закона имеет вид (рис. 3.1, б):
, (3.18)
а | |
б |
Рис. 3.1. Плотность и функция распределения нормального закона
При a=0 и формулы (3.17) и (3.18) принимают вид:
; . (3.19)
Эти функции называются нормированными и являются табличными.
От реального распределения к нормированному можно перейти, введя новую переменную , которая по существу обозначает, на каком расстоянии (выраженном в количестве стандартов) от математического ожидания находится текущее значение случайной величины x.
Наличие нормированных табличных функций помогает решить следующие прикладные задачи:
1) Найти вероятность попадания нормальной случайной величины в заданный интервал :
; (3.20)
Пример.
Значения предела текучести стали 15ХСНД распределены по нормальному закону. Среднее значение равно 360 МПа, стандарт распределения – 11 МПа.
Найти вероятность того, что при испытании образца предел текучести окажется в пределах (340 – 350) МПа.
Введем переменную . По формуле (3.20) имеем:
.
Р (340 < x < 350) = P (-1,8 < t < 0,9) = Ф(-0,9) – Ф(-1,8) = Ф(1,8) – Ф(0,9).
Из таблицы Ф(1,8) = 0,4641; Ф(0,9) = 0,3159.
Искомая вероятность равна 0,1482.
2) Найти вероятность заданного отклонения d случайной величины от ее математического ожидания т.е. :
. (3.21)
Пример.
В условиях предыдущего примера найти вероятность того, что отклонение предела текучести от среднего значения будет находиться в пределах .
Отношение . Из таблицы Ф(0,45) = 0,1736.
По формуле (3.21) искомая вероятность равна:
= 2 х 0,1736 = 0,3472.
Распределение суммы независимых случайных величин
Z = X + Y.
Плотность распределения суммы независимых случайных величин определяется по формуле:
, (3.22)
Плотность распределения суммы независимых случайных величин называют композицией.
Нормальный закон обладает свойством устойчивости, т.е. композиция нормальных законов также имеет нормальное распределение, в котором
M(Z)=M(X)+M(У);
. (3.23)
Контрольные вопросы
1. Перечислите законы распределения вероятностей.
2. Укажите связь между биноминальным распределением и распределением Пуассона.
3. Что такое показательный закон надежности?
4. Объясните природу нормального распределения.
5. Что такое нормированное нормальное распределение?