Перейти к содержимому

Как построить нормальное распределение в excel по данным

  • автор:

Как сделать кривую нормального распределения в Excel: пример + шаблон

Как сделать кривую нормального распределения в Excel: пример + шаблон

«Колокольная кривая» — это прозвище, данное форме нормального распределения , которая имеет отчетливую форму «колокола»:

Пример кривой колокола

В этом руководстве объясняется, как построить кривую нормального распределения в Excel для заданного среднего значения и стандартного отклонения, и даже предоставляется бесплатный загружаемый шаблон, который можно использовать для создания собственной кривой нормального распределения в Excel.

Пример: кривая нормального распределения в Excel

Используйте следующие шаги, чтобы сделать кривую колокола в Excel.

Шаг 1: Создайте ячейки для среднего значения и стандартного отклонения.

Шаблон кривой колокола в Excel

Шаг 2: Создайте ячейки для процентилей от -4 до 4 с шагом 0,1.

Процентили для кривой колокола в Excel

Процентили для кривой колокола в Excel

Шаг 3: Создайте столбец значений данных, которые будут использоваться на графике.

значения данных кривой колокола в Excel

Шаг 4: Найдите значения для нормального распределения PDF.

Значения кривой Белла в формате PDF в Excel

Шаг 5: Создайте метки графика по оси X только для целочисленных процентилей.

метки оси кривой колокола в Excel

Шаг 6: Сделайте кривую колокола.

Сначала выделите все значения в столбце pdf :

Значения кривой Белла в формате PDF в Excel

Затем в группе « Диаграммы » на вкладке « Вставка » щелкните первый параметр графика в категории « Вставить линию или диаграмму с областями»:

График кривой Белла в Excel

Автоматически появится кривая нормального распределения:

Кривая колокола в Excel

Шаг 7: Измените метки оси X.

Щелкните правой кнопкой мыши в любом месте диаграммы и выберите Выбрать данные.Появится новое окно. Нажмите кнопку « Редактировать » в разделе «Метки горизонтальной оси»:

Изменить метки оси x на кривой колокола в Excel

Выберите диапазон ячеек, в которых расположены метки оси X. В нашем случае это диапазон ячеек D5:D85.Затем нажмите ОК .

кривая колокола с метками оси X в Excel

Метки оси X будут обновляться автоматически:

Кривая колокола с метками в Excel

Вы заметите, что если вы измените среднее значение и стандартное отклонение, кривая нормального распределения обновится автоматически. Например, вот во что превращается кривая нормального распределения, если мы используем среднее значение = 10 и стандартное отклонение = 2:

кривая колокола в Excel

Вы можете изменить заголовок диаграммы, добавить метки осей и изменить цвет, если хотите сделать диаграмму более эстетичной.

Бесплатный шаблон

Не стесняйтесь загружать этот бесплатный шаблон , который использовался для создания точной колоколообразной кривой в этом уроке.

Нормальное распределение. Непрерывные распределения в EXCEL

Рассмотрим Нормальное распределение. С помощью функции MS EXCEL НОРМ.РАСП() построим графики функции распределения и плотности вероятности. Сгенерируем массив случайных чисел, распределенных по нормальному закону, произведем оценку параметров распределения, среднего значения и стандартного отклонения .

Нормальное распределение (также называется распределением Гаусса) является самым важным как в теории, так в приложениях системы контроля качества. Важность значения Нормального распределения (англ. Normal distribution ) во многих областях науки вытекает из Центральной предельной теоремы теории вероятностей.

Определение : Случайная величина x распределена по нормальному закону , если она имеет плотность распределения :

СОВЕТ : Подробнее о Функции распределения и Плотности вероятности см. статью Функция распределения и плотность вероятности в MS EXCEL .

Нормальное распределение зависит от двух параметров: μ (мю) — является математическим ожиданием (средним значением случайной величины) , и σ ( сигма) — является стандартным отклонением (среднеквадратичным отклонением). Параметр μ определяет положение центра плотности вероятности нормального распределения , а σ — разброс относительно центра (среднего).

Примечание : О влиянии параметров μ и σ на форму распределения изложено в статье про Гауссову кривую , а в файле примера на листе Влияние параметров можно с помощью элементов управления Счетчик понаблюдать за изменением формы кривой.

Нормальное распределение в MS EXCEL

В MS EXCEL, начиная с версии 2010, для Нормального распределения имеется функция НОРМ.РАСП() , английское название — NORM.DIST(), которая позволяет вычислить плотность вероятности (см. формулу выше) и интегральную функцию распределения (вероятность, что случайная величина X, распределенная по нормальному закону , примет значение меньше или равное x). Вычисления в последнем случае производятся по следующей формуле:

Вышеуказанное распределение имеет обозначение N (μ; σ). Так же часто используют обозначение через дисперсию N (μ; σ 2 ).

Примечание : До MS EXCEL 2010 в EXCEL была только функция НОРМРАСП() , которая также позволяет вычислить функцию распределения и плотность вероятности. НОРМРАСП() оставлена в MS EXCEL 2010 для совместимости.

Стандартное нормальное распределение

Стандартным нормальным распределением называется нормальное распределение с математическим ожиданием μ=0 и дисперсией σ=1. Вышеуказанное распределение имеет обозначение N (0;1).

Примечание : В литературе для случайной величины, распределенной по стандартному нормальному закону, закреплено специальное обозначение z.

Любое нормальное распределение можно преобразовать в стандартное через замену переменной z =( x -μ)/σ . Этот процесс преобразования называется стандартизацией .

Примечание : В MS EXCEL имеется функция НОРМАЛИЗАЦИЯ() , которая выполняет вышеуказанное преобразование. Хотя в MS EXCEL это преобразование называется почему-то нормализацией . Формулы =(x-μ)/σ и =НОРМАЛИЗАЦИЯ(х;μ;σ) вернут одинаковый результат.

В MS EXCEL 2010 для стандартного нормального распределения имеется специальная функция НОРМ.СТ.РАСП() и ее устаревший вариант НОРМСТРАСП() , выполняющий аналогичные вычисления.

Продемонстрируем, как в MS EXCEL осуществляется процесс стандартизации нормального распределения N (1,5; 2).

Для этого вычислим вероятность, что случайная величина, распределенная по нормальному закону N(1,5; 2) , меньше или равна 2,5. Формула выглядит так: =НОРМ.РАСП(2,5; 1,5; 2; ИСТИНА) =0,691462. Сделав замену переменной z =(2,5-1,5)/2=0,5 , запишем формулу для вычисления Стандартного нормального распределения: =НОРМ.СТ.РАСП(0,5; ИСТИНА) =0,691462.

Естественно, обе формулы дают одинаковые результаты (см. файл примера лист Пример ).

Обратите внимание, что стандартизация относится только к интегральной функции распределения (аргумент интегральная равен ИСТИНА), а не к плотности вероятности .

Примечание : В литературе для функции, вычисляющей вероятности случайной величины, распределенной по стандартному нормальному закону, закреплено специальное обозначение Ф(z). В MS EXCEL эта функция вычисляется по формуле =НОРМ.СТ.РАСП(z;ИСТИНА) . Вычисления производятся по формуле

В силу четности функции плотности стандартного нормального распределения f(x), а именно f(x)=f(-х), функция стандартного нормального распределения обладает свойством Ф(-x)=1-Ф(x).

Обратные функции

Функция НОРМ.СТ.РАСП(x;ИСТИНА) вычисляет вероятность P, что случайная величина Х примет значение меньше или равное х. Но часто требуется провести обратное вычисление: зная вероятность P, требуется вычислить значение х. Вычисленное значение х называется квантилем стандартного нормального распределения .

В MS EXCEL для вычисления квантилей используют функцию НОРМ.СТ.ОБР() и НОРМ.ОБР() .

Графики функций

В файле примера приведены графики плотности распределения вероятности и интегральной функции распределения .

Как известно, около 68% значений, выбранных из совокупности, имеющей нормальное распределение , находятся в пределах 1 стандартного отклонения (σ) от μ(среднего или математического ожидания); около 95% — в пределах 2-х σ, а в пределах 3-х σ находятся уже 99% значений. Убедиться в этом для стандартного нормального распределения можно записав формулу:

которая вернет значение 68,2689% — именно такой процент значений находятся в пределах +/-1 стандартного отклонения от среднего (см. лист График в файле примера ).

В силу четности функции плотности стандартного нормального распределения: f ( x )= f (-х) , функция стандартного нормального распределения обладает свойством F(-x)=1-F(x). Поэтому, вышеуказанную формулу можно упростить:

Для произвольной функции нормального распределения N(μ; σ) аналогичные вычисления нужно производить по формуле:

Вышеуказанные расчеты вероятности требуются для построения доверительных интервалов .

Примечание : Для построения функции распределения и плотности вероятности можно использовать диаграмму типа График или Точечная (со сглаженными линиями и без точек). Подробнее о построении диаграмм читайте статью Основные типы диаграмм .

Примечание : Для удобства написания формул в файле примера созданы Имена для параметров распределения: μ и σ.

Генерация случайных чисел

С помощью надстройки Пакет анализа можно сгенерировать случайные числа, распределенные по нормальному закону .

СОВЕТ : О надстройке Пакет анализа можно прочитать в статье Надстройка Пакет анализа MS EXCEL .

Сгенерируем 3 массива по 100 чисел с различными μ и σ. Для этого в окне Генерация случайных чисел установим следующие значения для каждой пары параметров:

Примечание : Если установить опцию Случайное рассеивание ( Random Seed ), то можно выбрать определенный случайный набор сгенерированных чисел. Например, установив эту опцию равной 25, можно сгенерировать на разных компьютерах одни и те же наборы случайных чисел (если, конечно, другие параметры распределения совпадают). Значение опции может принимать целые значения от 1 до 32 767. Название опции Случайное рассеивание может запутать. Лучше было бы ее перевести как Номер набора со случайными числами .

В итоге будем иметь 3 столбца чисел, на основании которых можно, оценить параметры распределения, из которого была произведена выборка: μ и σ . Оценку для μ можно сделать с использованием функции СРЗНАЧ() , а для σ – с использованием функции СТАНДОТКЛОН.В() , см. файл примера лист Генерация .

Примечание : Для генерирования массива чисел, распределенных по нормальному закону , можно использовать формулу =НОРМ.ОБР(СЛЧИС();μ;σ) . Функция СЛЧИС() генерирует непрерывное равномерное распределение от 0 до 1, что как раз соответствует диапазону изменения вероятности (см. файл примера лист Генерация ).

Задачи

Задача1 . Компания изготавливает нейлоновые нити со средней прочностью 41 МПа и стандартным отклонением 2 МПа. Потребитель хочет приобрести нити с прочностью не менее 36 МПа. Рассчитайте вероятность, что партии нити, изготовленные компанией для потребителя, будут соответствовать требованиям или превышать их. Решение1 : = 1-НОРМ.РАСП(36;41;2;ИСТИНА)

Задача2 . Предприятие изготавливает трубы, средний внешний диаметр которых равен 20,20 мм, а стандартное отклонение равно 0,25мм. Согласно техническим условиям, трубы признаются годными, если диаметр находится в пределах 20,00+/- 0,40 мм. Какая доля изготовленных труб соответствует ТУ? Решение2 : = НОРМ.РАСП(20,00+0,40;20,20;0,25;ИСТИНА)- НОРМ.РАСП(20,00-0,40;20,20;0,25) На рисунке ниже, выделена область значений диаметров, которая удовлетворяет требованиям спецификации.

Решение приведено в файле примера лист Задачи .

Задача3 . Предприятие изготавливает трубы, средний внешний диаметр которых равен 20,20 мм, а стандартное отклонение равно 0,25мм. Внешний диаметр не должен превышать определенное значение (предполагается, что нижняя граница не важна). Какую верхнюю границу в технических условиях необходимо установить, чтобы ей соответствовало 97,5% всех изготавливаемых изделий? Решение3 : = НОРМ.ОБР(0,975; 20,20; 0,25) =20,6899 или = НОРМ.СТ.ОБР(0,975)*0,25+20,2 (произведена «дестандартизация», см. выше)

Задача 4 . Нахождение параметров нормального распределения по значениям 2-х квантилей (или процентилей ). Предположим, известно, что случайная величина имеет нормальное распределение, но не известны его параметры, а только 2-я процентиля (например, 0,5- процентиль , т.е. медиана и 0,95-я процентиль ). Т.к. известна медиана , то мы знаем среднее , т.е. μ. Чтобы найти стандартное отклонение нужно использовать Поиск решения . Решение приведено в файле примера лист Задачи .

Примечание : До MS EXCEL 2010 в EXCEL были функции НОРМОБР() и НОРМСТОБР() , которые эквивалентны НОРМ.ОБР() и НОРМ.СТ.ОБР() . НОРМОБР() и НОРМСТОБР() оставлены в MS EXCEL 2010 и выше только для совместимости.

Линейные комбинации нормально распределенных случайных величин

Известно, что линейная комбинация нормально распределённых случайных величин x ( i ) с параметрами μ ( i ) и σ ( i ) также распределена нормально. Например, если случайная величина Y=x(1)+x(2), то Y будет иметь распределение с параметрами μ (1)+ μ(2) и КОРЕНЬ(σ(1)^2+ σ(2)^2). Убедимся в этом с помощью MS EXCEL.

С помощью надстройки Пакет анализа сгенерируем 2 массива по 100 чисел с различными μ и σ.

Теперь сформируем массив, каждый элемент которого является суммой 2-х значений, взятых из каждого массива.

С помощью функций СРЗНАЧ() и СТАНДОТКЛОН.В() вычислим среднее и дисперсию получившейся выборки и сравним их с расчетными.

Кроме того, построим График проверки распределения на нормальность ( Normal Probability Plot ), чтобы убедиться, что наш массив соответствует выборке из нормального распределения .

Прямая линия, аппроксимирующая полученный график, имеет уравнение y=ax+b. Наклон кривой (параметр а) может служить оценкой стандартного отклонения , а пересечение с осью y (параметр b) – среднего значения.

Для сравнения сгенерируем массив напрямую из распределения N (μ(1)+ μ(2); КОРЕНЬ(σ(1)^2+ σ(2)^2) ).

Как видно на рисунке ниже, обе аппроксимирующие кривые достаточно близки.

В качестве примера можно провести следующую задачу.

Задача . Завод изготавливает болты и гайки, которые упаковываются в ящики парами. Пусть известно, что вес каждого из изделий является нормальной случайной величиной. Для болтов средний вес составляет 50г, стандартное отклонение 1,5г, а для гаек 20г и 1,2г. В ящик фасуется 100 пар болтов и гаек. Вычислить какой процент ящиков будет тяжелее 7,2 кг. Решение . Сначала переформулируем вопрос задачи: Вычислить какой процент пар болт-гайка будет тяжелее 7,2кг/100=72г. Учитывая, что вес пары представляет собой случайную величину = Вес(болта) + Вес(гайки) со средним весом (50+20)г, и стандартным отклонением =КОРЕНЬ(СУММКВ(1,5;1,2)) , запишем решение = 1-НОРМ.РАСП(72; 50+20; КОРЕНЬ(СУММКВ(1,5;1,2));ИСТИНА) Ответ : 15% (см. файл примера лист Линейн.комбинация )

Аппроксимация Биномиального распределения Нормальным распределением

Если параметры Биномиального распределения B(n;p) находятся в пределах 0,1 10, то Биномиальное распределение можно аппроксимировать Нормальным распределением .

При значениях λ >15 , Распределение Пуассона хорошо аппроксимируется Нормальным распределением с параметрами: μ , σ 2 = λ .

Подробнее о связи этих распределений, можно прочитать в статье Взаимосвязь некоторых распределений друг с другом в MS EXCEL . Там же приведены примеры аппроксимации, и пояснены условия, когда она возможна и с какой точностью.

СОВЕТ : О других распределениях MS EXCEL можно прочитать в статье Распределения случайной величины в MS EXCEL .

Проверка распределения на нормальность в EXCEL

Предположим, что имеется некий набор данных. Требуется оценить, соответствует ли данная выборка нормальному распределению .

Рассмотренный ниже графический метод основан на субъективной визуальной оценке данных. Объективным же подходом является, например, анализ степени согласия гипотетического распределения с наблюдаемыми данными (goodness-of-fit test), который рассмотрен в статье Проверка простых гипотез критерием Пирсона ХИ-квадрат .

Из-за наличия неустранимой статистической ошибки выборки, присущей случайной величине, невозможно однозначно ответить на вопрос «Взята ли данная выборка из нормального распределения или нет». Поэтому, рассмотренный графический метод, скорее, дает ответ на вопрос «Разумно ли предположение, что оцениваемая выборка взята из нормального распределения »?

Рассмотрим алгоритм построения графика проверки распределения на нормальность ( Normal Probability Plot ) :

  • Отсортируйте значения выборки по возрастанию (значения выборки x j будут отложены по горизонтальной оси Х);
  • Каждому значению x jвыборки поставьте в соответствие значения (j-0,5)/n, где n – количество значений в выборке , j – порядковый номер значения от 1 до n. Этот массив будет содержать значения от 0,5/n до (n-0,5)/n. Таким образом, диапазон от 0 до 1 будет разбит на равномерные отрезки. Этот диапазон соответствует вероятности наблюдения значений случайной величины Z j ;
  • Преобразуем значения массива, полученные на предыдущем шаге, с помощью обратной функциистандартного нормального распределения НОРМ.СТ.ОБР() и отложим их по вертикальной оси Y.

Если значения выборки , откладываемые по оси Х, взяты из стандартного нормального распределения , то на графике мы получим приблизительно прямую линию, проходящую примерно через 0 и под углом 45 градусов к оси х (если масштабы осей совпадают).

Расчеты и графики приведены в файле примера на листе Нормальное . О построении диаграмм см. статью Основные типы диаграмм в MS EXCEL .

Примечание : Значения выборки в файле примера сгенерированы с помощью формулы =НОРМ.СТ.ОБР(СЛЧИС()) . При перерасчете листа или нажатии клавиши F9 происходит обновление данных в выборке . О генерации чисел, распределенных по нормальному закону см. статью Нормальное распределение. Непрерывные распределения в MS EXCEL . Таже значения выборки могут быть сгенерированы с помощью надстройки Пакет анализа .

Если значения выборки взяты из нормального распределения (μ не обязательно равно 0, σ не обязательно равно 1), то угол наклона кривой даст оценку стандартного отклонения σ, а ордината точки пересечения оси Y – оценку среднего значения μ.

Данные оценки несколько отличаются от оценок параметров, полученных с помощью функций СРЗНАЧ() и СТАНДОТКЛОН.В() , т.к. они получены методом наименьших квадратов , рассмотренного в статье про регрессионный анализ.

Примечание : Рассмотренный выше метод в отечественной литературе имеет название Метод номограмм . Номограмма – это листы бумаги, разлинованные определенным образом. Номограмма используется в различных областях знаний. В математической статистике номограмма называется вероятностной бумагой. Такую «вероятностную бумагу» мы практически построили самостоятельно, когда нелинейно изменили масштаб шкалы ординат: =НОРМ.СТ.ОБР((j-0,5)/n)

Интересно посмотреть, как будут выглядеть на диаграмме данные, полученные из выборок из других распределений (не из нормального ). В файле примера на листе Равномерное приведен график, построенный на основе выборки из непрерывного равномерного распределения.

Очевидно, что значения выборки совсем не ложатся на прямую линию и предположение о нормальности выборки должно быть отвергнуто.

Подобная визуальная проверка выборки на соответствие другим распределениям может быть сделана при наличии соответствующих обратных функций . В статье Статистики, их выборочные распределения и точечные оценки параметров распределений в MS EXCEL приведены графики для следующих распределений: Стьюдента , ХИ-квадрат распределения , F-распределения . Подобный график также приведен в статье про распределение Вейбулла .

Функция НОРМРАСП

Возвращает нормальную функцию распределения для указанного среднего и стандартного отклонения. Эта функция очень широко применяется в статистике, в том числе при проверке гипотез.

Важно: Эта функция была заменена одной или несколькими новыми функциями, которые обеспечивают более высокую точность и имеют имена, лучше отражающие их назначение. Хотя эта функция все еще используется для обеспечения обратной совместимости, она может стать недоступной в последующих версиях Excel, поэтому мы рекомендуем использовать новые функции.

Дополнительные сведения о новом варианте этой функции см. в статье Функция НОРМ.РАСП.

Синтаксис

Аргументы функции НОРМРАСП описаны ниже.

  • X Обязательный. Значение, для которого строится распределение.
  • Среднее Обязательный. Среднее арифметическое распределения.
  • Стандартное_откл Обязательный. Стандартное отклонение распределения.
  • Интегральная Обязательный. Логическое значение, определяющее форму функции. Если аргумент «интегральная» имеет значение ИСТИНА, функция НОРМРАСП возвращает интегральную функцию распределения; если этот аргумент имеет значение ЛОЖЬ, возвращается весовая функция распределения.

Замечания

  • Если среднее или standard_dev не является числом, ФУНКЦИЯ НОРМДИСТ возвращает #VALUE! (значение ошибки).
  • Если standard_dev ≤ 0, функция НОРМДИСТ возвращает #NUM! (значение ошибки).
  • Если среднее = 0, стандартное_откл = 1 и интегральная = ИСТИНА, то функция НОРМРАСП возвращает стандартное нормальное распределение, т. е. НОРМСТРАСП.
  • Уравнение для плотности нормального распределения (аргумент «интегральная» содержит значение ЛОЖЬ) имеет следующий вид:

Пример

Скопируйте образец данных из следующей таблицы и вставьте их в ячейку A1 нового листа Excel. Чтобы отобразить результаты формул, выделите их и нажмите клавишу F2, а затем — клавишу Enter. При необходимости измените ширину столбцов, чтобы видеть все данные.

Значение, для которого нужно вычислить распределение

Среднее арифметическое распределения

Стандартное отклонение распределения

Интегральная функция распределения для приведенных выше условий

Функция плотности распределения для приведенных выше условий

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *