Böjningspunkter för normalfördelningen

En sak som är bra med matematik är hur till synes orelaterade områden av ämnet möts på överraskande sätt. Ett exempel på detta är tillämpningen av en idé från kalkyl till klockkurvan. Ett verktyg i kalkyl som kallas derivatan används för att svara på följande fråga. Var finns böjningspunkterna på grafen för sannolikhetstäthetsfunktionen för normalfördelningen?

Böjningspunkter

Kurvor har en mängd olika egenskaper som kan klassificeras och kategoriseras. En punkt som hör till kurvor som vi kan överväga är om grafen för en funktion ökar eller minskar. En annan egenskap hänför sig till något som kallas konkavitet. Detta kan grovt sett ses som den riktning som en del av kurvan är vänd mot. Mer formellt c oncavity är krökningsriktningen.

En del av en kurva sägs vara konkav upp om den är formad som bokstaven U. En del av en kurva är konkav ner om den är formad som följande ∩. Det är lätt att komma ihåg hur det här ser ut om vi tänker på en grotta som öppnar antingen uppåt för konkav uppåt eller nedåt för konkav ner. En böjningspunkt är där en kurva ändrar konkavitet. Det är med andra ord en punkt där en kurva går från konkav upp till konkav ner, eller vice versa.

Andra derivator

I kalkyl är derivatan ett verktyg som används på en mängd olika sätt. Medan den mest välkända användningen av derivatan är att bestämma lutningen på en linje som tangerar en kurva vid en given punkt, finns det andra tillämpningar. En av dessa tillämpningar har att göra med att hitta böjningspunkter för grafen för en funktion.

Om grafen för y = f( x ) har en böjningspunkt vid x = a, sedan andraderivatan av f utvärderad vid a är noll. Vi skriver detta i matematisk notation som f''( a )

= 0. Om andraderivatan av en funktion är noll i en punkt, betyder det inte automatiskt att vi har hittat en böjningspunkt. Vi kan dock leta efter potentiella böjningspunkter genom att se var andraderivatan är noll. Vi kommer att använda den här metoden för att bestämma placeringen av böjningspunkterna för normalfördelningen.

Böjningspunkter för klockkurvan

En slumpvariabel som är normalt fördelat med medelvärde μ och standardavvikelse för σ har en sannolikhetstäthetsfunktion av

f( x ) =1/ (σ √(2 π) )exp[-(x – μ)²/(2σ²)].

Här använder vi notationen exp[y] = e

y, var e är den matematiska konstanten approximerad med 2,71828.

Den första derivatan av denna sannolikhetstäthetsfunktion hittas genom att känna till derivatan för e^x och tillämpning av kedjeregeln.

f' (x ) = -(x – μ)/ (σ³ √(2 π) )exp[-(x -μ) ²/(2σ²)] = -(x – μ) f( x )/σ².

Vi beräknar nu andraderivatan av denna sannolikhetstäthetsfunktion. Vi använder produktregeln för att se att:

f''( x ) = – f( x )/σ² – (x – μ) f'( x )/σ2

För att förenkla detta uttryck har vi

f''( x ) = – f( x )/σ

2 + (x – μ)2

f( x )/(σ⁴)

Ställ nu detta uttryck lika med noll och lös för x. Eftersom f( x ) är en funktion som inte är noll kan vi dividera båda sidor av ekvationen med denna funktion.

0 = – 1/σ

2 + (x – μ)² /σ 4

För att eliminera bråken kan vi multiplicera båda sidor med

σ4

0 = – σ

2 + (x – μ)²

Vi är nu nästan vid vårt mål. För att lösa för x ser vi att

σ

2

= (x – μ)²

Genom att ta kvadratroten på båda sidorna (och komma ihåg att ta både de positiva och negativa värdena för roten

±σ = x – μ

Av detta är det lätt att se att böjningspunkterna uppstår där x = μ ± σ

. Med andra ord är böjningspunkterna placerade en standardavvikelse över medelvärdet och en standardavvikelse under medelvärdet.