משפט הגבול המרכזי
CLT
איך סכומים וממוצעים הופכים לנורמליים — גם כשהנתונים עצמם לא נורמליים
משפט הגבול המרכזי — הרעיון
מתחילים מסדרה של משתנים מקריים:
ההנחה המרכזית בשיעור: המשתנים הם בלתי תלויים, בעלי אותה התפלגות, ויש להם תוחלת ושונות סופיות.
\(\overline X=\frac{X_1+X_2+\cdots+X_n}{n}\)
\(S_n=X_1+X_2+\cdots+X_n\)
חזרה: התפלגות נורמלית
התפלגות נורמלית נקראת גם פעמון גאוס. היא סימטרית סביב התוחלת, ורוב הערכים קרובים למרכז.
כאשר \(\mu\) היא התוחלת, ו־\(\sigma\) היא סטיית התקן.
כלל 68%: בערך 68% מהערכים נמצאים בין \(\mu-\sigma\) לבין \(\mu+\sigma\).
כללי 95% ו־99% סביב הממוצע
בהתפלגות נורמלית משתמשים הרבה בשלושה כללי אצבע:
- בערך 68% בתוך סטיית תקן אחת.
- בערך 95% בתוך שתי סטיות תקן.
- בערך 99% בתוך שלוש סטיות תקן. בגרסה המדויקת יותר: כ־99.7%.
למה הנורמלית מופיעה בכל מקום?
הצפיפות הנורמלית מוגדרת לכל מספר ממשי:
למשל, גובה של אנשים יכול להתרכז סביב 170 ס״מ, אבל עקרונית המודל הנורמלי מתאר רצף רחב של ערכים.
ההתפלגות הנורמלית עוזרת לחשב הסתברויות, להבין רעשי מדידה ולבצע בדיקות סטטיסטיות.
ניסוח משפט הגבול המרכזי
נניח ש־\(X_1,\ldots,X_n\) הם בלתי תלויים, בעלי אותה התפלגות, עם תוחלת \(\mu\) וסטיית תקן \(\sigma\).
אז כאשר \(n\) גדול, מתקבלים הקירובים:
תנאים לשימוש בקירוב
כדי להשתמש ב־CLT בשיעור הזה, נבדוק:
- המשתנים אינם חייבים להיות נורמליים.
- גם אם ההתפלגות המקורית אינה נורמלית, אפשר לקרב את התפלגות הסכום או הממוצע לנורמלית.
- כלל אצבע שימושי: \(n\ge 30\).
תרגיל 1: סכום משקלי שוקולדים
נתון: משקל של שוקולד אחד מתפלג אחיד בין 95 ל־105 גרם:
קונים קופסה של \(n=36\) שוקולדים.
השאלה: מה ההסתברות שמשקל כל הקופסה יהיה גדול מ־3630 גרם?
לפני הפתרון נזהה: זו שאלה על סכום, לא על ממוצע.
פתרון תרגיל 1 — סטנדרטיזציה של סכום
עבור התפלגות אחידה \(Uniform(a,b)\):
לכן כאן:
לפי CLT:
ולכן:
תרגיל 1 — שימוש בטבלת Z
בטבלת ההתפלגות הנורמלית הסטנדרטית מקבלים:
אבל אנחנו צריכים את הזנב הימני:
תרגיל 2: ממוצע משקל השוקולדים
עכשיו השאלה משתנה:
מה ההסתברות שהמשקל הממוצע של 36 שוקולדים יהיה גדול מ־100.5 גרם?
הנתונים נשארים:
כאן מדובר על ממוצע, ולכן משתמשים בנוסחה:
פתרון תרגיל 2 — ממוצע
נציב בנוסחה:
לכן:
מהטבלה:
תרגיל 3: סכום הטלות קובייה
מטילים קובייה הוגנת 60 פעמים.
השאלה: מה ההסתברות שסכום התוצאות יהיה גדול מ־230?
נסמן:
לקובייה הוגנת:
זו שוב שאלה על סכום:
פתרון תרגיל 3 — קובייה
נשתמש בסטנדרטיזציה של סכום:
נציב את הגבול 230:
לכן:
🧭 מפת פתרון מהירה
- בודקים אם השאלה היא על סכום או על ממוצע.
- מוצאים \(\mu\) ו־\(\sigma\) של משתנה אחד.
- בודקים ש־\(n\ge30\) או שיש הצדקה לקירוב.
- מחשבים ערך \(Z\).
- משתמשים בטבלת Z ולוקחים זנב שמאלי או ימני לפי השאלה.