二項分布シミュレーション

コイン投げの実験を通して、二項分布と正規分布による近似を学ぶ教材である。

表の出る確率が $p$、裏の出る確率が $q = 1 - p$ のコインを 10回投げ、表の出た回数 $X$ を記録する(これを1セットとする)。 セットを繰り返すと、表の回数の相対度数の分布(ヒストグラム)が、 理論値である二項分布 $B(10, p)$ に近づいていく様子が観察できる。 さらに、二項分布が正規分布 $N(np, npq)$ で近似できることも確かめられる。

p = 0.5 / q = 0.5

※ p を変更するとシミュレーション結果はリセットされる。

直近1セット(10回投げ):
シミュレーション(相対度数) 二項分布 $B(10, p)$ 正規分布 $N(np, npq)$
累計セット数
0
標本平均
—
理論平均 $np$
5.0
標本分散
—
理論分散 $npq$
2.5

度数分布表

表の回数 $k$
度数
相対度数
理論確率 $P(X=k)$

学習のポイント

二項分布 — コインを $n$ 回投げて表が $k$ 回出る確率は次の式で与えられる。

$$P(X = k) = {}_n C_k \, p^k q^{n-k} \qquad (k = 0, 1, \ldots, n)$$

このとき平均は $E(X) = np$、分散は $V(X) = npq$ となる。 $n = 10$ の場合、$p = 0.5$ なら平均は $5$、分散は $2.5$ である。

大数の法則 — セット数を増やすほど、相対度数のヒストグラムは理論値(赤い折れ線)に近づく。 まず1セットずつ実行して結果のばらつきを観察し、次にセット数を100、1000と増やして比べるとよい。

正規分布による近似 — 二項分布 $B(n, p)$ は、$n$ が大きいとき正規分布 $N(np, npq)$ で近似できる (ド・モアブル=ラプラスの定理)。緑の曲線が赤い点をほぼ通ることを確認するとよい。 $p$ が $0.5$ から離れる(例: $p = 0.1$)と分布が左右非対称になり、近似のずれが大きくなることも観察できる。