[spec] normal distribution graph
[notes.git] / spec / statistics.tex
index f546e20bae2d388da56149243948501bfaba8fb1..0b6f4ce416680b27d9f2e5c8b673b6c19a035e10 100644 (file)
@@ -12,6 +12,7 @@
 \usepackage{xcolor} % used only to show the phantomed stuff
 \definecolor{cas}{HTML}{e6f0fe}
 \usepackage{mathtools}
+\pgfplotsset{compat=1.16}
 
 \pagestyle{fancy}
 \fancyhead[LO,LE]{Unit 4 Specialist --- Statistics}
@@ -44,7 +45,7 @@
   \begin{align*}
     \Pr(Y \le y) &= \Pr(aX+b \le y) \\
     &= \Pr\left(X \le \dfrac{y-b}{a}\right) \\
-    &= \int^{\dfrac{y-b}{a}}_{-\infty} f(x) \> dx
+    &= \int^{\frac{y-b}{a}}_{-\infty} f(x) \> dx
   \end{align*}
 
   \begin{align*}
 
   \section{Sample mean}
 
+  Approximation of the \textbf{population mean} determined experimentally.
+
   \[ \overline{x} = \dfrac{\Sigma x}{n} \]
 
-  where \(n\) is the size of the sample (number of sample points)
+  where \(n\) is the size of the sample (number of sample points) and \(x\) is the value of a sample point
 
-  \subsubsection*{\colorbox{cas}{On CAS:}}
+  \begin{tcolorbox}[colframe=cas!75!black, title=On CAS]
 
   \begin{enumerate}
     \item Spreadsheet
     \item Input range as A1:An where \(n\) is the number of samples
     \item Graph \(\rightarrow\) Histogram
   \end{enumerate}
+  \end{tcolorbox}
 
   \subsubsection*{Sample size of \(n\)}
 
   \[ \overline{X} = \sum_{i=1}^n \frac{x_i}{n} = \dfrac{\sum x}{n} \]
 
-  Sample mean is distributed with mean \(\mu\) and sd \(\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\)
-  
+  Sample mean is distributed with mean \(\mu\) and sd \(\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\) (approaches these values for increasing sample size \(n\)).
 
+  \begin{tcolorbox}[colframe=cas!75!black, title=On CAS]
+  
+    \begin{itemize}
+      \item Spreadsheet \(\rightarrow\) Catalog \(\rightarrow\) \verb;randNorm(sd, mean, n); where \verb;n; is the number of samples. Show histogram with Histogram key in top left
+      \item To calculate parameters of a dataset: Calc \(\rightarrow\) One-variable
+    \end{itemize}
+  \end{tcolorbox}
+  
+  \section{Normal distributions}
+
+  mean = mode = median
+
+  \[ Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \]
+
+  Normal distributions must have area (total prob.) of 1 \(\implies \int^\infty_{-\infty} f(x) \> dx = 1\)
+\pgfmathdeclarefunction{gauss}{2}{%
+  \pgfmathparse{1/(#2*sqrt(2*pi))*exp(-((x-#1)^2)/(2*#2^2))}%
+}
+
+{\begin{center} \begin{tikzpicture}
+  \pgfplotsset{set layers}
+\begin{axis}[every axis plot post/.append style={
+  mark=none,domain=-3:3,samples=50,smooth}, 
+  axis x line=bottom, 
+  axis y line=left,
+  enlargelimits=upper,
+  x=\textwidth/10,
+  ytick={0.55},
+  yticklabels={\(\frac{1}{\sigma \sqrt{2\pi}}\)}, 
+  xtick={-2,-1,0,1,2},
+  x tick label style = {font=\footnotesize},
+  xticklabels={\((\mu-2\sigma)\), \((\mu-\sigma)\), \(\mu\), \((\mu+\sigma)\), \((\mu+2\sigma)\)},
+  xlabel={\(x\)},
+  every axis x label/.style={at={(current axis.right of origin)},anchor=north west},
+  every axis y label/.style={at={(axis description cs:-0.02,0.2)}, anchor=south west, rotate=90},
+  ylabel={\(\Pr(X=x)\)}]
+  \addplot {gauss(0,0.75)};
+\end{axis}
+\begin{axis}[every axis plot post/.append style={
+  mark=none,domain=-3:3,samples=50,smooth}, 
+  axis x line=bottom, 
+  enlargelimits=upper,
+  x=\textwidth/10,
+  xtick={-2,-1,0,1,2},
+  axis x line shift=30pt,
+  hide y axis,
+  x tick label style = {font=\footnotesize},
+  xlabel={\(Z\)},
+  every axis x label/.style={at={(axis description cs:1,-0.25)},anchor=south west}]
+  \addplot {gauss(0,0.75)};
+\end{axis}
+\end{tikzpicture}\end{center}}
+
+  \section{Central limit theorem}
+
+  If \(X\) is randomly distributed with mean \(\mu\) and sd \(\sigma\), then with an adequate sample size \(n\) the distribution of the sample mean \(\overline{X}\) is approximately normal with mean \(E(\overline{X})\) and \(\operatorname{sd}(\overline{X}) = \frac{\sigma}{\sqrt{n}}\).
 
 \end{document}