統計学基礎

確率密度関数とは?「面積が確率」になる理由と累積分布関数との違い

確率密度関数のアイキャッチ。曲線の下の面積が確率になる

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確率密度関数(PDF)とは、長さや時間のように連続的な値をとるデータで、どのあたりの値が起こりやすいかを表す関数です。面積から確率を出す計算は例題、累積分布関数との違いは違いの節にあります。

結論|まず30秒でわかる答え

確率そのものではなく、曲線の下の面積が確率になります。たとえば0〜10の一様分布では密度は0.1で、2〜5の間に入る確率は 0.1×3=0.3 です。ちょうど1つの値をとる確率は0で、密度の値は1をこえることもあります。

確率密度関数のアイキャッチ。曲線の下の面積が確率になる

確率密度関数とは?連続的なデータの「起こりやすさ」の曲線

サイコロの目のように、とびとびの値(離散型)なら、「3が出る確率は1/6」と、1つの値ごとに確率を決められます。ところが、部品の長さや故障までの時間のように、いくらでも細かい値をとるデータ(連続型)では、ちょうど10.000…mmになる確率は0になってしまいます。

そこで連続型では、「この範囲に入る確率」を考えます。その確率を面積で表すための曲線が、確率密度関数です。

データの種類使う関数確率の求め方例
離散型(とびとびの値)確率質量関数その値の確率を足すサイコロの目、不良品の個数
連続型(いくらでも細かい値)確率密度関数曲線の下の面積を求める長さ、重さ、故障までの時間
たとえると

雨量と同じです。「1時間に何mm」という雨の強さ(密度)は、そのままでは降った量ではありません。強さ×時間(面積)で、はじめて降った量(確率)になります。

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例題:一様分布で、面積から確率を求める

0〜10の値が、どれも同じくらい起こりやすい(一様分布)とします。全体の面積は1(確率の合計は100%)なので、幅10の長方形の高さ(密度)は 1÷10=0.1 です。

STEP 1

確率密度:f(x)=1÷10=0.1(0≦x≦10の範囲)

STEP 2

2〜5に入る確率は、幅3・高さ0.1の長方形の面積

STEP 3

P(2≦X≦5)=0.1×(5−2)=0.3(30%)

STEP 4

確かめ:全体の面積は 0.1×10=1

POINT

ちょうど5になる確率は、幅0の長方形の面積なので0です。連続型では「〜以上〜以下」と「〜より大きく〜より小さい」の確率は同じになります。

密度が1をこえてもよい理由

正規分布の山の高さ(平均のところの密度)は 1÷(σ×√(2π)) です。標準偏差σ=0.1なら、1÷(0.1×2.507)≒3.99 になり、1をこえます。それでも、山の幅がせまいので、曲線の下の面積の合計は1のままです。密度は確率ではないので、1をこえてもおかしくありません。

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一様分布の例題の図。0〜10の一様分布で密度は0.1、2〜5に入る確率は0.1×3=0.3、全体の面積は1

確率密度関数と累積分布関数の違い

関数意味一様分布(0〜10)の例
確率密度関数 f(x)そのあたりの起こりやすさ(面積が確率)f(x)=0.1
累積分布関数 F(x)x以下になる確率(左からの面積)F(5)=0.1×5=0.5

累積分布関数は、確率密度関数を左から積み上げた面積です。品質管理では、「規格の上限をこえる確率(不良率)」は 1−F(上限) で求めます。信頼性工学では、「時間tまでに故障する確率」が累積分布関数F(t)で、壊れずに残る確率(信頼度)は 1−F(t) です。

確率密度関数でよくある間違い

よくある間違い正しい考え方
密度の値がそのまま確率曲線の下の面積が確率
密度は1をこえない密度は1をこえてもよい(面積の合計が1)
ちょうどの値にも確率がある連続型ではちょうど1つの値の確率は0
離散型も面積で求める離散型は確率質量関数の値を足す
累積分布関数と同じもの累積分布関数は左からの面積(x以下の確率)
確率密度関数のよくある間違いの図。確率は面積、密度は1をこえてもよい、連続型でちょうど1つの値の確率は0、累積分布関数は左からの面積

よくある質問

Q. 確率密度関数とは?

A. 長さや時間など連続的なデータで、値の起こりやすさを表す関数です。曲線の下の面積が確率になります。

Q. 確率密度関数の値は確率?

A. 確率ではありません。範囲の幅を掛けた面積が確率になるので、密度の値は1をこえることもあります。

Q. ちょうど1つの値をとる確率は?

A. 連続型では0です。幅0の面積なので、確率は範囲で考えます。

Q. 累積分布関数との違いは?

A. 累積分布関数は、確率密度関数を左から積み上げた面積で、x以下になる確率を表します。

Q. 確率質量関数との違いは?

A. 確率質量関数はとびとびの値(離散型)で各値の確率を表し、確率密度関数は連続型で面積が確率です。

この記事の要点
  • 確率密度関数=連続的なデータの起こりやすさの曲線
  • 確率は曲線の下の面積、全体の面積は1
  • 一様分布0〜10:密度0.1、P(2≦X≦5)=0.3
  • ちょうど1つの値の確率は0、密度は1をこえてもよい
  • 累積分布関数F(x)=x以下の確率、不良率や信頼度の計算に使う
参考にした資料

法令・規格・資料は改訂されることがあります。実務で使うときは、発行元の最新版で確かめてください。

この記事の理解を深める本と道具
おすすめの本

「確率密度関数」の土台になる統計学を、教科書で体系立てて学びたいときに向いています。東京大学教養学部統計学教室が編集した、統計学の定番の教科書です。データのまとめ方から確率分布までを、実際の例と図表で解説しています。

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S
シラス
電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年

メーカーで回路設計と生産技術(品質改善)に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

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