知識(shí)講解 離散型隨機(jī)變量的均值與方差(理)(基礎(chǔ)).doc
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離散型隨機(jī)變量的均值與方差 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1. 理解取有限個(gè)值的離散型隨機(jī)變量的均值或期望的概念,會(huì)根據(jù)離散型隨機(jī)變量的分布列求出均值或期望,并能解決一些實(shí)際問(wèn)題; 2. 理解取有限個(gè)值的離散型隨機(jī)變量的方差、標(biāo)準(zhǔn)差的概念,會(huì)根據(jù)離散型隨機(jī)變量的分布列求出方差或標(biāo)準(zhǔn)差,并能解決一些實(shí)際問(wèn)題; 【要點(diǎn)梳理】 要點(diǎn)一、離散型隨機(jī)變量的期望 1.定義: 一般地,若離散型隨機(jī)變量的概率分布為 … … P … … 則稱…… 為的均值或數(shù)學(xué)期望,簡(jiǎn)稱期望. 要點(diǎn)詮釋: (1)均值(期望)是隨機(jī)變量的一個(gè)重要特征數(shù),它反映或刻畫的是隨機(jī)變量取值的平均水平. (2)一般地,在有限取值離散型隨機(jī)變量的概率分布中,令…,則有…,…,所以的數(shù)學(xué)期望又稱為平均數(shù)、均值。 (3)隨機(jī)變量的均值與隨機(jī)變量本身具有相同的單位. 2.性質(zhì): ①; ②若(a、b是常數(shù)),是隨機(jī)變量,則也是隨機(jī)變量,有; 的推導(dǎo)過(guò)程如下:: 的分布列為 … … … … P … … 于是…… =……)……)= ∴。 要點(diǎn)二:離散型隨機(jī)變量的方差與標(biāo)準(zhǔn)差 1.一組數(shù)據(jù)的方差的概念: 已知一組數(shù)據(jù),,…,,它們的平均值為,那么各數(shù)據(jù)與的差的平方的平均數(shù) ++…+叫做這組數(shù)據(jù)的方差。 2.離散型隨機(jī)變量的方差: 一般地,若離散型隨機(jī)變量的概率分布為 … … P … … 則稱=++…++…稱為隨機(jī)變量的方差,式中的是隨機(jī)變量的期望. 的算術(shù)平方根叫做隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差,記作. 要點(diǎn)詮釋: ⑴隨機(jī)變量的方差的定義與一組數(shù)據(jù)的方差的定義式是相同的; ⑵隨機(jī)變量的方差、標(biāo)準(zhǔn)差也是隨機(jī)變量ξ的特征數(shù),它們都反映了隨機(jī)變量取值的穩(wěn)定與波動(dòng)、集中與離散的程度;方差(標(biāo)準(zhǔn)差)越小,隨機(jī)變量的取值就越穩(wěn)定(越靠近平均值). ⑶標(biāo)準(zhǔn)差與隨機(jī)變量本身有相同的單位,所以在實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用更廣泛。 3.期望和方差的關(guān)系: 4.方差的性質(zhì): 若(a、b是常數(shù)),是隨機(jī)變量,則也是隨機(jī)變量,; 要點(diǎn)三:常見(jiàn)分布的期望與方差 1、二點(diǎn)分布: 若離散型隨機(jī)變量服從參數(shù)為的二點(diǎn)分布,則 期望 方差 證明:∵,,, ∴ 2、二項(xiàng)分布: 若離散型隨機(jī)變量服從參數(shù)為的二項(xiàng)分布,即則 期望 方差 期望公式證明: ∵, ∴, 又∵, ∴++…++…+ . 3、幾何分布: 獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)中,若事件在每一次試驗(yàn)中發(fā)生的概率都為,事件第一次發(fā)生時(shí)所做的試驗(yàn)次數(shù)是隨機(jī)變量,且,,稱離散型隨機(jī)變量服從幾何分布,記作:。 若離散型隨機(jī)變量服從幾何分布,且則 期望 方差 要點(diǎn)詮釋:隨機(jī)變量是否服從二項(xiàng)分布或者幾何分布,要從取值和相應(yīng)概率兩個(gè)角度去驗(yàn)證。 4、超幾何分布: 若離散型隨機(jī)變量服從參數(shù)為的超幾何分布,則 期望 要點(diǎn)四:離散型隨機(jī)變量的期望與方差的求法及應(yīng)用 1、求離散型隨機(jī)變量的期望、方差、標(biāo)準(zhǔn)差的基本步驟: ①理解的意義,寫出可能取的全部值; ②求取各個(gè)值的概率,寫出分布列; … … P … … ③根據(jù)分布列,由期望、方差的定義求出、、: . 注意:常見(jiàn)分布列的期望和方差,不必寫出分布列,直接用公式計(jì)算即可. 2.離散型隨機(jī)變量的期望與方差的實(shí)際意義及應(yīng)用 ① 離散型隨機(jī)變量的期望,反映了隨機(jī)變量取值的平均水平; ② 隨機(jī)變量的方差與標(biāo)準(zhǔn)差都反映了隨機(jī)變量取值的穩(wěn)定與波動(dòng)、集中與離散的程度。方差越大數(shù)據(jù)波動(dòng)越大。 ③對(duì)于兩個(gè)隨機(jī)變量和,當(dāng)需要了解他們的平均水平時(shí),可比較和的大小。 ④和相等或很接近,當(dāng)需要進(jìn)一步了解他們的穩(wěn)定性或者集中程度時(shí),比較和,方差值大時(shí),則表明ξ比較離散,反之,則表明ξ比較集中.品種的優(yōu)劣、儀器的好壞、預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確與否、武器的性能等很多指標(biāo)都與這兩個(gè)特征數(shù)(數(shù)學(xué)期望、方差)有關(guān). 【典型例題】 類型一、離散型隨機(jī)變量的期望 例1.某射手射擊所得環(huán)數(shù)ξ的分布列如下: ξ 7 8 9 10 P x 0.1 0.3 y 已知ξ的期望Eξ=8.9,則y的值為________. 【思路點(diǎn)撥】分布列中含有字母x、y,應(yīng)先根據(jù)分布列的性質(zhì),求出x、y的值,再利用期望的定義求解; 【解析】x+0.1+0.3+y=1,即x+y=0.6.① 又7x+0.8+2.7+10y=8.9,化簡(jiǎn)得7x+10y=5.4.② 由①②聯(lián)立解得x=0.2,y=0.4. 【總結(jié)升華】求期望的關(guān)鍵是求出分布列,只要隨機(jī)變量的分布列求出,就可以套用期望的公式求解, 舉一反三: 【變式1】某一離散型隨機(jī)變量ξ的概率分布如下,且E(ξ)=1.5,則a-b為( ). ξ 0 1 2 3 P 0.1 a b 0.1 A.-0.1 B.0 C.0.1 D.0.2 【答案】B 由分布列的性質(zhì)知:0.1+a+b+0.1=1, ∴a+b=0.8.又E(ξ)=0×0.1+1×a+2×b+3×0.1=1.5,即a+2b=1.2. 解得a=0.4,b=0.4,∴a-b=0. 【變式2】隨機(jī)變量ξ的分布列為 ξ 0 2 4 P 0.4 0.3 0.3 ,則E(5ξ+4)等于( ) A.13 B.11 C.2.2 D.2.3 【答案】A 由已知得: E(ξ)=0×0.4+2×0.3+4×0.3=1.8, ∴E(5ξ+4)=5E(ξ)+4=5×1.8+4=13. 【變式3】節(jié)日期間,某種鮮花進(jìn)貨價(jià)是每束2.5元,銷售價(jià)每束5元;節(jié)后賣不出去的鮮花以每束1.6元價(jià)格處理.根據(jù)前五年銷售情況預(yù)測(cè),節(jié)日期間這種鮮花的需求量服從如下表所示的分布,若進(jìn)這種鮮花500束,則期望利潤(rùn)是 ξ 200 300 400 500 P 0.20 0.35 0.30 0.15 A.706元 B.690元 C.754元 D.720元 【答案】A 節(jié)日期間預(yù)售的量: Eξ=200×0.2+300×0.35+400×0.3+500×0.15=40+105+120+75=340(束), 則期望的利潤(rùn): η=5ξ+1.6(500-ξ)-500×2.5=3.4ξ-450, ∴Eη=3.4Eξ-450=3.4×340-450=706. ∴期望利潤(rùn)為706元. 【變式4】設(shè)離散型隨機(jī)變量的可能取值為1,2,3,4,且(),,則 ; 【答案】; 由分布列的概率和為1,有, 又,即, 解得,,故。 例2. 某同學(xué)參加科普知識(shí)競(jìng)賽,需回答三個(gè)問(wèn)題,競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定:每題回答正確得100分,回答不正確得-100分.假設(shè)這名同學(xué)回答正確的概率均為0.8,且各題回答正確與否相互之間沒(méi)有影響. (1)求這名同學(xué)回答這三個(gè)問(wèn)題的總得分X的概率分布和數(shù)學(xué)期望; (2)求這名同學(xué)總得分不為負(fù)分(即X≥0)的概率. 【思路點(diǎn)撥】本題顯然為獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)的問(wèn)題,因此求各個(gè)情況的概率直接用公式即可。 (1)求X的可能取值,即求得分,答對(duì)0道題得-300分,答對(duì)1道題得100-200=-100分,答對(duì)2道題得2×100-100=100分,答對(duì)3道題得300分;(2)總分不為負(fù)分包括100分和300分兩種情況. 【解析】 (1)X的可能取值為-300,-100,100,300. P(X=-300)=0.23=0.008。 P(X=-100)=×0.22×0.8=0.096, P(X=100)=×0.2×0.82=0.384, P(X=300)=0.83=0.512. 所以X的概率分布為 X -300 -100 100 300 P 0.008 0.096 0.384 0.512 ∴E(X)=(-300)×0.008+(-100)×0.096+100×0.384+300×0.512=180. (2)這名同學(xué)總得分不為負(fù)分的概率為 P(X≥0)=P(X=100)+P(X=300)=0.384+0.512=0.896. 【總結(jié)升華】求離散型隨機(jī)變量均值的關(guān)鍵在于列出概率分布表. 舉一反三: 【變式1】 籃球運(yùn)動(dòng)員在比賽中每次罰球命中得1分,罰不中得0分,已知他命中的概率為0.7,求他罰球一次得分的期望 【答案】因?yàn)椋? 所以 【變式2】一盒中裝有零件12個(gè),其中有9個(gè)正品,3個(gè)次品,從中任取一個(gè),如果每次取出次品就不再放回去,再取一個(gè)零件,直到取得正品為止.求在取得正品之前已取出次品數(shù)的期望. 【答案】 設(shè)取得正品之前已取出的次品數(shù)為,顯然所有可能取的值為0,1,2,3 當(dāng)時(shí),即第一次取得正品,試驗(yàn)停止,則 當(dāng)時(shí),即第一次取出次品,第二次取得正品,試驗(yàn)停止,則 當(dāng)時(shí),即第一、二次取出次品,第三次取得正品,試驗(yàn)停止,則 當(dāng)時(shí),即第一、二、三次取出次品,第四次取得正品,試驗(yàn)停止,則 ∴分布列為 0 1 2 3 p ∴ 【變式3】 某城市出租汽車的起步價(jià)為10元,行駛路程不超出4km時(shí)租車費(fèi)為10元,若行駛路程超出4km,則按每超出lkm加收2元計(jì)費(fèi)(超出不足lkm的部分按lkm計(jì)).從這個(gè)城市的民航機(jī)場(chǎng)到某賓館的路程為15km.某司機(jī)經(jīng)常駕車在機(jī)場(chǎng)與此賓館之間接送旅客,由于行車路線的不同以及途中停車時(shí)間要轉(zhuǎn)換成行車路程(這個(gè)城市規(guī)定,每停車5分鐘按lkm路程計(jì)費(fèi)),這個(gè)司機(jī)一次接送旅客的行車路程ξ是一個(gè)隨機(jī)變量.設(shè)他所收租車費(fèi)為η (Ⅰ)求租車費(fèi)η關(guān)于行車路程ξ的關(guān)系式; (Ⅱ)若隨機(jī)變量ξ的分布列為 ξ 15 16 17 18 P 0.1 0.5 0.3 0.1 求所收租車費(fèi)η的數(shù)學(xué)期望. (Ⅲ)已知某旅客實(shí)付租車費(fèi)38元,而出租汽車實(shí)際行駛了15km,問(wèn)出租車在途中因故停車?yán)塾?jì)最多幾分鐘? 【答案】 (Ⅰ)依題意得 η=2(ξ-4)十10,即 η=2ξ+2; (Ⅱ) ∵ η=2ξ+2 ∴ 2Eξ+2=34.8 (元) 故所收租車費(fèi)η的數(shù)學(xué)期望為34.8元. (Ⅲ)由38=2ξ+2,得ξ=18,5(18-15)=15 所以出租車在途中因故停車?yán)塾?jì)最多15分鐘 例3.若某批產(chǎn)品共100件,其中有20件二等品,從中有放回地抽取3件,求取出二等品的件數(shù)的期望、方差。 【思路點(diǎn)撥】3次有放回的抽取就是3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn),取出二等品的件數(shù)這一隨機(jī)變量服從二項(xiàng)分布。 【解析】由題知一次取出二等品的概率為,有放回地抽取3件,可以看作3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn), 即取出二等品的件數(shù), 所以, . 【總結(jié)升華】 在確定隨機(jī)變量服從特殊分布以后,可直接運(yùn)用公式求其均值. 舉一反三: 【變式1】 英語(yǔ)考試有100道選擇題,每個(gè)題有4個(gè)選項(xiàng),選對(duì)得1分,否則得0分,學(xué)生甲會(huì)其中的20道,學(xué)生乙會(huì)其中的80道,不會(huì)的均隨機(jī)選擇,求甲、乙在這次測(cè)驗(yàn)中得分的數(shù)學(xué)期望. 【答案】 設(shè)甲、乙不會(huì)的題的得分分別為隨機(jī)變量X和Y,由題意知X~B(80,0.25),Y~B(20,0.25), ∴E(X)=80×0.25=20,E(Y)=20×0.25=5. 故甲、乙的數(shù)學(xué)期望成績(jī)分別為40分和85分. 【變式2】 甲、乙兩人各進(jìn)行3次射擊,甲每次擊中目標(biāo)的概率為,乙每次擊中目標(biāo)的概率為,記甲擊中目標(biāo)的次數(shù)為X,乙擊中目標(biāo)的次數(shù)為Y, (1)求X的概率分布; (2)求X和Y的數(shù)學(xué)期望. 【答案】 甲、乙擊中目標(biāo)的次數(shù)均服從二項(xiàng)分布. (1), , , 。 所以X的概率分布如下表: X 0 1 2 3 P (2)由(1)知, 或由題意,。 ∴,。 【變式3】 一次單元測(cè)驗(yàn)由20個(gè)選擇題構(gòu)成,每個(gè)選擇題有4個(gè)選項(xiàng),其中有且僅有一個(gè)選項(xiàng)是正確答案,每題選擇正確答案得5分,不作出選擇或選錯(cuò)不得分,滿分100分 學(xué)生甲選對(duì)任一題的概率為0.9,學(xué)生乙則在測(cè)驗(yàn)中對(duì)每題都從4個(gè)選擇中隨機(jī)地選擇一個(gè),求學(xué)生甲和乙在這次英語(yǔ)單元測(cè)驗(yàn)中的成績(jī)的期望 【答案】設(shè)學(xué)生甲和乙在這次英語(yǔ)測(cè)驗(yàn)中正確答案的選擇題個(gè)數(shù)分別是,則, , 由于答對(duì)每題得5分,學(xué)生甲和乙在這次英語(yǔ)測(cè)驗(yàn)中的成績(jī)分別是5和5 所以,他們?cè)跍y(cè)驗(yàn)中的成績(jī)的期望分別是: 類型二、離散型隨機(jī)變量的方差 例4. 設(shè)X是一個(gè)離散型隨機(jī)變量,其概率分布如下表,試求E(X)和D(X). X -1 0 1 P 1-2q q2 【思路點(diǎn)撥】 由概率分布的性質(zhì)求出q的值后,再計(jì)算E(X),D(X). 【解析】 由概率分布的性質(zhì),得: ,得。 ∴, 。 【總結(jié)升華】求隨機(jī)變量的方差,應(yīng)先明確隨機(jī)變量的概率分布。然后利用均值與方差的定義列式計(jì)算. 舉一反三: 【變式1】 設(shè)隨機(jī)變量X的概率分布為 X 1 2 … n P … 求D(X)。 【答案】 本題考查方差的求法.可由分布列先求出X的期望E(X),再利用方差的定義求之.也可直接利用公式D(X)=E(X2)-[E(X)]2來(lái)解. 解法一: , ∴D 。 解法二:由解法一可求得。 又 , ∴D。 【變式2】 1.已知隨機(jī)變量ξ的分布列如下表: ξ -1 0 1 P (1)求E(ξ),D(ξ),η; (2)設(shè)η=2ξ+3,求E(η),D(η). 【答案】(1); ,。 (2),。 例5. 設(shè)某運(yùn)動(dòng)員投籃投中的概率為p=0.6. (1)求一次投籃時(shí),投中次數(shù)X的數(shù)學(xué)期望和方差; (2)求重復(fù)5次投籃時(shí),投中次數(shù)Y的數(shù)學(xué)期望和方差. 【思路點(diǎn)撥】(1)投籃一次可能中,也可能不中,投中次數(shù)X服從兩點(diǎn)分布;(2)重復(fù)投籃5次的投中次數(shù)Y服從二項(xiàng)分布. 【解析】(1)X服從兩點(diǎn)分布,其分布列如下: X 0 1 P 0.4 0.6 所以E(X)=p=0.6,D(X)=p(1-p)=0.24. (2)由題設(shè),Y~B(5,0.6). 所以E(Y)=np=5×0.6=3, D(Y)=np(1-p)=5×0.6×0.4=1.2. 【總結(jié)升華】對(duì)于兩點(diǎn)分布、二項(xiàng)分布,可直接運(yùn)用公式計(jì)算. 舉一反三: 【變式1】籃球運(yùn)動(dòng)員在比賽中每次罰球命中得1分,罰不中得0分,已知他命中的概率為0.7,求他罰球三次得分的期望和方差。 【答案】罰球三次可以看作3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn),即罰球三次得分, 所以 . 【變式2】有10件產(chǎn)品,其中3件是次品.從中任取2件,若抽到的次品數(shù)為X,求X的分布列,期望和方差. 【答案】 類型三、離散型隨機(jī)變量的期望和方差的應(yīng)用 例6. 甲、乙兩名射手在一次射擊中的得分是兩個(gè)隨機(jī)變量,分別記為X1和X2,它們的概率分布分別為 X1 0 1 2 X2 0 1 2 P 0.1 a 0.4 p 0.2 0.2 b (1)求a,b的值; (2)計(jì)算X1和X2的數(shù)學(xué)期望和方差,并以此分析甲、乙兩射手的技術(shù)狀況. 【思路點(diǎn)撥】 本題考查分布列的性質(zhì)、期望與方差的求法及對(duì)期望與方差的理解.(1)可直接由分布列的性質(zhì)列式求解.(2)利用定義求期望與方差. 【解析】 (1)由分布列的性質(zhì)知, 0.1+a+0.4=1,0.2+0.2+b=1, 即a=0.5,b=0.6。 (2)E(X1)=0×0.1+1×0.5+2×0.4=1.3, E(X2)=0×0.2+1×0.2+2×0.6=1.4, D(X1)=(0-1.3)2×0.1+(1-1.3)2×0.5+(2-1.3)2×0.4=0.41, D(X2)=(0-1.4)2×0.2+(1-1.4)2×0.2+(2-1.4)2×0.6=0.64。 由上述計(jì)算的結(jié)果可知,乙的平均水平較甲好一點(diǎn),但乙的穩(wěn)定性不如甲. 【總結(jié)升華】離散型隨機(jī)變量的期望與方差分別反映了隨機(jī)變量的取值的平均水平和波動(dòng)大?。ɑ螂x散程度). 舉一反三: 【變式1】A、B兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)加工零件,每生產(chǎn)一批數(shù)量較大的產(chǎn)品時(shí),出次品的概率如下表所示:?jiǎn)柲囊慌_(tái)機(jī)床加工質(zhì)量較好. A機(jī)床 B機(jī)床 次品數(shù)ξ1 0 1 2 3 次品數(shù)ξ1 0 1 2 3 概率P 0.7 0.2 0.06 0.04 概率P 0.8 0.06 0.04 0.10 【答案】 Eξ1=0×0.7+1×0.2+2×0.06+3×0.04=0.44, Eξ2=0×0.8+1×0.06+2×0.04+3×0.10=0.44. 它們的期望相同,再比較它們的方差. Dξ1=(0-0.44)2×0.7+(1-0.44)2×0.2+(2-0.44)2×0.06+(3-0.44)2×0.04=0.6064, Dξ2=(0-0.44)2×0.8+(1-0.44)2×0.06+(2-0.44)2×0.04+(3-0.44)2×0.10=0.9264. ∴Dξ1< Dξ2 故A機(jī)床加工較穩(wěn)定、質(zhì)量較好. 【變式2】有甲乙兩個(gè)單位都愿意聘用你,而你能獲得如下信息: 甲單位不同職位月工資X1/元 1 200 1 400 1 600 1 800 獲得相應(yīng)職位的概率P1 0.4 0.3 0.2 0.1 乙單位不同職位月工資X2/元 1 000 1 400 1 800 2 200 獲得相應(yīng)職位的概率P2 0.4 0.3 0.2 0.1 根據(jù)工資待遇的差異情況,你愿意選擇哪家單位? 【答案】根據(jù)月工資的分布列,利用計(jì)算器可算得 E(X1)=1 200×0.4+1 400×0.3+1 600×0.2+1 800×0.1=1 400, D(X1)=(1 200-1 400)2×0.4+(1 400-1 400)2×0.3+(1 600-1 400)2×0.2+(1 800-1 400)2×0.1=40 000; E(X2)=1 000×0.4+1 400×0.3+1 800×0.2+2 200×0.1=1 400, D(X2)=(1 000-1 400)2×0.4+(1 400-1 400)2×0.3+(1 800-1 400)2×0.2+(2 200-1 400)2×0.1=160 000. 因?yàn)镋(X1)=E(X2),D(X1)- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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