2022届高中数学讲义微专题87 离散型随机变量分布列与数字特征 WORD版含解析.doc
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- 2022届高中数学讲义微专题87 离散型随机变量分布列与数字特征 WORD版含解析 2022 高中数学 讲义 专题 87 离散 随机变量 分布 数字 特征 WORD 解析
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1、微专题87 离散型随机变量分布列与数字特征一、基础知识:(一)离散型随机变量分布列:1、随机变量:对于一项随机试验,会有多个可能产生的试验结果,则通过确定一个对应关系,使得每一个试验结果与一个确定的数相对应,在这种对应关系下,数字随着每次试验结果的变化而变化,将这种变化用一个变量进行表示,称这个变量为随机变量(1)事件的量化:将试验中的每个事件用一个数来进行表示,从而用“数”即可表示事件。例如:在扔硬币的试验中,用1表示正面朝上,用0表示反面朝上,则提到1,即代表正面向上的事件。将事件量化后,便可进行该试验的数字分析(计算期望与方差),同时也可以简洁的表示事件(2)量化的事件之间通常互为互斥事
2、件(3)随机变量:如果将事件量化后的数构成一个数集,则可将随机变量理解为这个集合的代表元素。它可以取到数集中每一个数,且每取到一个数时,就代表试验的一个结果。例如:在上面扔硬币的试验中,设向上的结果为,则“”代表“正面向上”,”代表“反面向上”,(4)随机变量的记法:随机变量通常用等表示(5)随机变量的概率:记为取所代表事件发生的概率2、离散型随机变量:所有取值可以一一列出的随机变量,称为离散型随机变量,离散型随机变量的取值集合可以是有限集,也可以是无限集3、分布列:一般地,若离散型随机变量可能取得不同值为,取每一个值的概率,以表格的形式表示如下:称该表格为离散型随机变量的分布列,分布列概率具
3、有的性质为:(1)(2),此性质的作用如下: 对于随机变量分布列,概率和为1,有助于检查所求概率是否正确 若在随机变量取值中有一个复杂情况,可以考虑利用概率和为1的特征,求出其他较为简单情况的概率,利用间接法求出该复杂情况的概率(二)常见的分布:1、如何分辨随机变量分布列是否符合特殊分布:(1)随机变量的取值:随机变量的取值要与特殊分布中的取值完全一致.(2)每个特殊的分布都有一个试验背景,在满足(1)的前提下可通过该试验的特征判断是否符合某分布2、常见的分布(1)两点分布:一项试验有两个结果,其中事件发生的概率为,令,则的分布列为:则称符合两点分布(也称伯努利分布),其中称为成功概率(2)超
4、几何分布:在含有个特殊元素的个元素中,不放回的任取件,其中含有特殊元素的个数记为,则有,其中即:则称随机变量服从超几何分布,记为(3)二项分布:在次独立重复试验中,事件发生的概率为,设在次试验中事件发生的次数为随机变量,则有 ,即: 则称随机变量符合二项分布,记为 (三)数字特征期望与方差1、期望:已知离散性随机变量的分布列为:则称的值为的期望,记为 (1)期望反映了随机变量取值的平均水平,换句话说,是做了次这样的试验,每次试验随机变量会取一个值(即结果所对应的数),将这些数进行统计,并计算平均数,当足够大时,平均数无限接近一个确定的数,这个数即为该随机变量的期望。例如:连续投篮三次,设投进篮
5、的次数为随机变量,那么将这种连续三次投篮的试验重复做很多次(比如次),统计每次试验中的取值,则这个值的代数平均数将很接近期望 (2)期望的运算法则:若两个随机变量存在线性对应关系:,则有 是指随机变量取值存在对应关系,且具备对应关系的一组代表事件的概率相同:若的分布列为:则的分布列为: 这个公式体现出通过随机变量的线性关系,可得期望之间的联系。在某些直接求期望的题目中,若所求期望的随机变量不符合特殊分布,但与一个特殊分布的随机变量间存在这样的关系,那么在计算期望时,便可借助这个特殊分布的随机变量计算出期望2、方差:已知离散性随机变量的分布列为:且记随机变量的期望为,用表示的方差,则有:(1)方
6、差体现了随机变量取值的分散程度,与期望的理解类似,是指做了次这样的试验,每次试验随机变量会取一个值(即结果所对应的数),将这些数进行统计。方差大说明这些数分布的比较分散,方差小说明这些数分布的较为集中(集中在期望值周围)(2)在计算方差时,除了可以用定义式之外,还可以用以下等式进行计算:设随机变量为 ,则 (3)方差的运算法则:若两个随机变量存在线性对应关系:,则有:3、常见分布的期望与方差:(1)两点分布:则 (2)二项分布:若,则 (3)超几何分布:若,则注:通常随机变量的期望和方差是通过分布列计算得出,如果题目中跳过求分布列直接问期望(或方差),则可先观察该随机变量是否符合特殊的分布,或
7、是与符合特殊分布的另一随机变量存在线性对应关系。从而跳过分布列中概率的计算,直接利用公式得到期望(或方差)二、典型例题:例1:为加强大学生实践,创新能力和团队精神的培养,促进高等教育教学改革,教育部门主办了全国大学生智能汽车竞赛,竞赛分为预赛和决赛两个阶段,参加决赛的队伍按照抽签的方式决定出场顺序,通过预赛,选拔出甲,乙等五支队伍参加决赛(1)求决赛中甲乙两支队伍恰好排在前两位的概率(2)若决赛中甲队和乙队之间间隔的队伍数记为,求的分布列和数学期望(1)思路:本题可用古典概型进行解决,设为“五支队伍的比赛顺序”,则,事件为“甲乙排在前两位”,则,从而可计算出解:设事件为“甲乙排在前两位”(2)
8、思路:一共五支队伍,所以甲乙之间间隔的队伍数能取得值为,同样适用于古典概型。可先将甲,乙占上位置,然后再解决“甲乙”的顺序与其他三支队伍间的顺序问题。解:可取得值为 的分布列为:例2:为了提高我市的教育教学水平,市教育局打算从红塔区某学校推荐的10名教师中任选3人去参加支教活动。这10名教师中,语文教师3人,数学教师4人,英语教师3人求:(1)选出的语文教师人数多于数学教师人数的概率;(2)选出的3人中,语文教师人数的分布列和数学期望(1)思路:本题可用古典概型来解,事件为“10名教师中抽取3人”,则,事件为“语文教师人数多于数学教师人数”,则分为“1语0数”,“2语1数”,“2语0数”,“3
9、语”四种情况,分别求出对应的情况的种数,加在一起即为,则即可求出。为了更好的用数学符号表示事件,可使用“字母+数字角标”的形式分别设出“3人中有名语文教师”和“3人中有名数学教师”。 设事件为“3人中有名语文教师”,为“3人中有名数学教师”,事件为“语文教师人数多于数学教师人数” (2)思路:本题可将语文老师视为特殊元素,则问题转化为“10个元素中不放回的抽取3个元素,特殊元素个数的分布列”,即符合超几何分布。随机变量的取值为,按超几何分布的概率计算公式即可求出分布列及期望 语文教师人数可取的值为,依题意可得: 的分布列为例3:某市为准备参加省中学生运动会,对本市甲,乙两个田径队的所有跳高运动
10、员进行了测试,用茎叶图表示出甲,乙两队运动员本次测试的成绩(单位:cm,且均为整数),同时对全体运动员的成绩绘制了频率分布直方图,跳高成绩在185cm以上(包括185cm)定义为“优秀”,由于某些原因,茎叶图中乙队的部分数据丢失,但已知所有运动员中成绩在190cm以上(包括190cm)的只有两个人,且均在甲队(1)求甲,乙两队运动员的总人数及乙队中成绩在 (单位:cm)内的运动员人数 (2)在甲,乙两队所有成绩在180cm以上的运动员中随机选取2人,已知至少有1人成绩为“优秀”,求两人成绩均“优秀”的概率(3)在甲,乙两队中所有的成绩为“优秀”的运动员中随机选取2人参加省中学生运动会正式比赛,
11、求所选取运动员中来自甲队的人数的分布列及期望(1)思路:本小问抓好入手点的关键是明确两个统计图的作用,茎叶图所给的数据为甲,乙两队的成绩,但乙队有残缺,所以很难从茎叶图上得到全体运动员的人数。在频率分布直方图中,所呈现的是所有运动员成绩的分布(但不区分甲,乙队),由此可明确要确定全体运动员的人数,需要通过直方图,要确定各队的情况,则需要茎叶图。要补齐乙队的数据,则两个图要结合着看。在第(1)问中,可以以190cm以上的人数为突破口,通过频率直方图可知190cm以上所占的频率为,而190cm以上只有2人,从而得到全体人数,然后再根据频率直方图得到的人数,减去甲队的人数即为 解:由频率直方图可知:
12、成绩在以190cm以上的运动员的频率为所以全体运动馆总人数(人) 成绩位于中运动员的频率为,人数为 由茎叶图可知:甲队成绩在的运动员有3名(人)(2)思路:通过频率直方图可知180cm以上运动员总数为:(人),结合茎叶图可知乙在180cm以上不缺数据。题目所求的是条件概率,所以可想到公式,分别求出“至少有1人成绩为优秀”和“两人成绩均优秀”的概率,然后再代入计算即可解:由频率直方图可得:180cm以上运动员总数为:由茎叶图可得,甲乙队180cm以上人数恰好10人,且优秀的人数为6人 乙在这部分数据不缺失设事件为“至少有1人成绩优秀”,事件为“两人成绩均优秀” (3)思路:由(2)及茎叶图可得:
13、在优秀的6名运动员中,甲占了4名,乙占了2名,依题意可知的取值为,且符合超几何分布,进而可按公式进行概率的计算解:由(2)可得:甲有4名优秀队员,乙有2名优秀队员可取的值为 的分布列为: 例4:现有4个人去参加某娱乐活动,该活动有甲、乙两个游戏可供参加者选择.为增加趣味性,约定:每个人通过掷一枚质地均匀的骰子决定自己去参加哪个游戏,掷出点数为1或2的人去参加甲游戏,掷出点数大于2的人去参加乙游戏.(1)求这4个人中恰有2人去参加甲游戏的概率;(2)求这4个人中去参加甲游戏的人数大于去参加乙游戏的人数的概率;(3)用X,Y分别表示这4个人中去参加甲、乙游戏的人数,记,求随机变量的分布列与数学期望
14、.(1)思路:按题意要求可知去参加甲游戏的概率为,参加乙游戏的概率为,4个人扔骰子相互独立,所以属于独立重复试验模型,利用该模型求出概率即可。解:依题意可得:参加甲游戏的概率为,参加乙游戏的概率为设事件为“有个人参加甲游戏” (2)思路:若甲游戏人数大于乙游戏人数,即为事件,又因为互斥,所以根据加法公式可得:,进而可计算出概率解:设事件为“甲游戏人数大于乙游戏人数” (3)思路:表示两个游戏人数的差,所以可取的值为。时对应的情况为,时对应的情况为,时对应的情况为,从而可计算出对应的概率,得到分布列解:可取的值为例5:某学生在上学路上要经过4个路口,假设在各路口是否遇到红灯是相互独立的,遇到红灯
15、的概率都是,遇到红灯时停留的时间都是分钟(1)求这名学生在上学路上到第三个路口时首次遇到红灯的概率(2)求这名学生在上学路上因遇到红灯停留的总时间的分布列及期望,方差解:(1)思路:条件中说明各路口遇到红灯的情况相互独立,。在第三个路口首次遇到红灯,即前两次没有遇到,第三次遇到红灯。使用概率乘法即可计算解:设事件为“在第个路口遇到红灯”,则, 设事件为“第三个路口首次遇到红灯”即 (2)思路:在上学途中遇到一次红灯就需要停留2分钟,一共四个路口,所以要停留的时间可取的值为,依题意可知的取值对应的遇到红灯次数为,且该模型属于独立重复试验模型,所以可用形如二项分布的公式计算遇到红灯次数的概率,即为
16、对应取值的概率,从而列出分布列,在计算期望与方差时,如果借用分布列计算,虽然可得到答案,但过程比较复杂(尤其是方差),考虑到符合二项分布,其期望与方差可通过公式迅速得到,且与之间存在联系:。所以先利用二项分布求出的期望与方差,再利用运算公式得到的期望方差即可解:可取的值为,设遇到红灯的次数为,则对应的值为 的分布列为: 小炼有话说:本题的亮点在于求的期望方差时,并不是生硬套用公式计算,而是寻找一个有特殊分布的随机变量,通过两随机变量的联系(线性关系)和的期望方差来得到所求。例6:甲,乙去某公司应聘面试,该公司的面试方案为:应聘者从道备选题中一次性随机抽取道题,按照答对题目的个数为标准进行筛选.
17、已知道备选题中应聘者甲有道题能正确完成,道题不能完成;应聘者乙每题正确完成的概率都是,且每题正确完成与否互不影响(1) 分别求甲、乙两人正确完成面试题数的分布列,并计算其数学期望;(2)请分析比较甲、乙两人谁的面试通过的可能性大?(1)思路:依题意可知对于甲而言,只要在抽题的过程中,抽中甲会答的题目,则甲一定能够答对,所以甲完成面试题数的关键在于抽题,即从6道题目中抽取3道,抽到甲会的4道题的数量,可知符合超几何分布;对于乙而言,抽的题目是无差别的,答对的概率相同,所以乙正确完成面试题数符合二项分布。从而利用超几何分布与二项分布的概率公式即可得到分布列和方差解:(1)设为甲正确完成面试题的数量
18、,为乙正确完成面试题的数量,依题意可得:,可取的值为 的分布列为: 的分布列为:(2)思路:由(1)可知,说明甲,乙两个人的平均水平相同,所以考虑甲,乙发挥的稳定性,即再计算,比较它们的大小即可解:甲发挥的稳定性更强,则甲胜出的概率较大小炼有话说:(1)第(2)问在决策时,用到了期望和方差的意义,即期望表明随机变量取值的平均情况,而方差体现了随机变量取值是相对分散(不稳定)还是集中(稳定),了解它们的含义有助于解决此类问题(2)当随机变量符合特殊分布时,其方差也有公式以方便运算: 二项分布:若,则 超几何分布:若,则例7:某个海边旅游景点,有小型游艇出租供游客出海游玩,收费标准如下:租用时间不
19、超过2小时收费100,超过2小时的部分按每小时100收取(不足一小时按一小时计算)现甲、乙两人独立来该景点租用小型游艇,各租一次设甲、乙租用不超过两小时的概率分别为,租用2小时以上且不超过3小时的概率分别为,两人租用的时间都不超过4小时(1)求甲、乙两人所付费用相同的概率;(2)设甲、乙两人所付的费用之和为随机变量,求的分布列与数学期望解:(1)设事件为“甲,乙租用时间均不超过2小时” 事件为“甲,乙租用时间均在2小时至3小时之间” 事件为“甲,乙租用时间均在3小时至4小时之间” 故所求事件的概率(2)的取值可以为则 故的分布列为:例8:将一个半径适当的小球放入如图所示的容器上方的入口处,小球
20、自由下落,在下落的过程中,将遇到黑色障碍物3次,最后落入袋或袋中,已知小球每次遇到障碍物时,向左,右两边下落的概率分别是 (1)分别求出小球落入袋和袋中的概率(2)在容器入口处依次放入4个小球,记为落入袋中的小球个数,求的分布列和数学期望(1)思路:本题的关键要抓住小球下落的特点,通过观察图形可得:小球要经历三层障碍物,且在经历每层障碍物时,只有一直向左边或者一直向右边下落,才有可能落到袋中,其余的情况均落入袋,所以以袋为突破口即可求出概率解:设事件为“小球落入袋”,事件为“小球落入袋”,可知 依题意可得: (2)思路:每个小球下落的过程是彼此独立的,所以属于独立重复试验模型,由(1)可得:在
21、每次试验中,落入袋发生的概率为,所以服从二项分布,即,运用二项分布概率计算公式即可得到答案解:可取的值为,可知 的分布列为: 例9“已知正方形的边长为,分别是边的中点(1)在正方形内部随机取一点,求满足的概率;(2)从这八个点中,随机选取两个点,记这两个点之间的距离为,求随机变量的分布列与数学期望(1)思路:首先明确本题应该利用几何概型求解(基本事件位等可能事件,且基本事件个数为无限多个)。为“正方形内部的点”,所以,设事件为“”,则点位于以为圆心,为半径的圆内,所以为正方形与圆的公共部分面积,计算可得:,从而算出解:设事件为“”(2)思路:八个点中任取两点,由正方形性质可知两点距离可取的值为
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