高考數(shù)學復習 17-18版 附加題部分 第1章 第62課 離散型隨機變量的均值與方差
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1、 第62課 離散型隨機變量的均值與方差 [最新考綱] 內容 要求 A B C 離散型隨機變量的均值與方差 √ 1.離散型隨機變量的均值與方差 一般地,若離散型隨機變量X的概率分布為 X x1 x2 … xi … xn P p1 p2 … pi … pn (1)均值 稱E(X)=μ=x1p1+x2p2+…+xipi+…+xnpn為隨機變量X的均值或數(shù)學期望,它反映了離散型隨機變量取值的平均水平. (2)方差 稱V(X)=σ2= (xi-E(X))2pi=xpi-μ2為隨機變量X的方差,它刻畫了隨機變量X與其均值E(X)的
2、平均偏離程度,其算術平方根σ=為隨機變量X的標準差. 2.均值與方差的性質 (1)E(aX+b)=aE(X)+b. (2)V(aX+b)=a2V(X).(a,b為常數(shù)) 3.兩點分布與二項分布的均值、方差 (1)若X服從兩點分布,則E(X)=p,V(X)=p(1-p). (2)若X~B(n,p),則E(X)=np,V(X)=np(1-p). 1.(思考辨析)判斷下列結論的正誤.(正確的打“√”,錯誤的打“×”) (1)期望是算術平均數(shù)概念的推廣,與概率無關.( ) (2)隨機變量的均值是常數(shù),樣本的平均值是隨機變量.( ) (3)隨機變量的方差和標準差都反映了隨機變
3、量取值偏離均值的平均程度,方差或標準差越小,則偏離均值的平均程度越小. ( ) (4)在籃球比賽中,罰球命中1次得1分,不中得0分,如果某運動員罰球命中的概率為0.7,那么他罰球1次的得分X的均值是0.7.( ) [答案] (1)× (2)√ (3)√ (4)√ 2.(教材改編)已知X的概率分布為 X -1 0 1 P 設Y=2X+3,則E(Y)的值為________. [E(X)=-1×+0×+1×=-, 則E(Y)=2E(X)+3=3-=.] 3.設隨機變量ξ的分布列為P(ξ=k)=(k=2,4,6,8,10),則V(ξ)等于________.
4、8 [∵E(ξ)=(2+4+6+8+10)=6, ∴V(ξ)=[(-4)2+(-2)2+02+22+42]=8.] 4.(2016·四川高考)同時拋擲兩枚質地均勻的硬幣,當至少有一枚硬幣正面向上時,就說這次試驗成功,則在2次試驗中成功次數(shù)X的均值是________. [同時拋擲兩枚質地均勻的硬幣,至少有一枚硬幣正面向上的概率P=1-2=. 又X~B, ∴成功次數(shù)X的均值E(X)=2×=.] 5.若X~B(n,p),且E(X)=6,V(X)=3,則P(X=1)=________. [∵E(X)=np=6, V(X)=np(1-p)=3, ∴p=,n=12, 則P(X=1)
5、=C××11=3×2-10=.] 離散型隨機變量的均值、方差 設袋子中裝有a個紅球,b個黃球,c個藍球,且規(guī)定:取出一個紅球得1分,取出一個黃球得2分,取出一個藍球得3分. (1)當a=3,b=2,c=1時,從該袋子中任取(有放回,且每球取到的機會均等)2個球,記隨機變量ξ為取出此2球所得分數(shù)之和,求ξ的概率分布; (2)從該袋子中任取(每球取到的機會均等)1個球,記隨機變量η為取出此球所得分數(shù).若Eη=,Dη=,求a∶b∶c. 【導學號:62172334】 [解] (1)由題意得ξ=2,3,4,5,6. 故P(ξ=2)==, P(ξ=3)==, P(ξ=4)==,
6、 P(ξ=5)==, P(ξ=6)==. 所以ξ的概率分布為 ξ 2 3 4 5 6 P (2)由題意知η的概率分布為 η 1 2 3 P 所以E(η)=++=, D(η)=2·+2·+2·=, 化簡得 解得a=3c,b=2c,故a∶b∶c=3∶2∶1. [規(guī)律方法] 1.求離散型隨機變量的均值與方差關鍵是確定隨機變量的所有可能值,寫出隨機變量的分布列,正確運用均值、方差公式進行計算. 2.注意E(aX+b)=aE(X)+b,V(aX+b)=a2V(X)的應用. [變式訓練1] (2016·蘇北四市摸底)已知某校有甲、
7、乙兩個興趣小組,其中甲組有2名男生、3名女生,乙組有3名男生、1名女生,學校計劃從兩興趣小組中隨機各選2名成員參加某項活動. (1)求選出的4名選手中恰好有一名女生的選派方法數(shù); (2)記X為選出的4名選手中女選手的人數(shù),求X的概率分布和數(shù)學期望. [解] (1)選出的4名選手中恰好有一名女生的選派方法數(shù)為C·C·C+C=21種. (2)X的可能取值為0,1,2,3. P(X=0)===, P(X=1)===, P(X=3)===, P(X=2)=1-P(X=0)-P(X=1)-P(X=3)=. X的概率分布為 X 0 1 2 3 P E(X)=
8、0×+1×+2×+3×=. 與二項分布有關的均值、方差 某商場舉行有獎促銷活動,顧客購買一定金額的商品后即可抽獎,每次抽獎都是從裝有4個紅球、6個白球的甲箱和裝有5個紅球、5個白球的乙箱中,各隨機摸出1個球,在摸出的2個球中,若都是紅球,則獲一等獎;若只有1個紅球,則獲二等獎;若沒有紅球,則不獲獎. (1)求顧客抽獎1次能獲獎的概率; (2)若某顧客有3次抽獎機會,記該顧客在3次抽獎中獲一等獎的次數(shù)為X,求X的概率分布和數(shù)學期望及方差. 【導學號:62172335】 [解] (1)記事件A1={從甲箱中摸出的1個球是紅球}, A2={從乙箱中摸出的1個球是紅球}, B1={
9、顧客抽獎1次獲一等獎},B2={顧客抽獎1次獲二等獎},C={顧客抽獎1次能獲獎}. 由題意知A1與A2相互獨立,A1 與A2互斥,B1與B2互斥,且B1=A1A2,B2=A1+A2,C=B1+B2. 因為P(A1)==,P(A2)==, 所以P(B1)=P(A1A2)=P(A1)P(A2)=×=, P(B2)=P(A1+A2)=P(A1)+P(A2) =P(A1)P()+P()P(A2) =P(A1)(1-P(A2))+(1-P(A1))P(A2) =×+×=. 故所求概率為P(C)=P(B1+B2)=P(B1)+P(B2)=+=. (2)顧客抽獎3次可視為3次獨立重復試驗
10、,由(1)知,顧客抽獎1次獲一等獎的概率為,所以X~B. 于是P(X=0)=C03=, P(X=1)=C12=, P(X=2)=C21=, P(X=3)=C30=. 故X的概率分布為 X 0 1 2 3 P X的數(shù)學期望為E(X)=3×=. 隨機變量X的方差V(X)=3×=. [規(guī)律方法] 1.求隨機變量ξ的期望與方差時,可首先分析ξ是否服從二項分布,如果ξ~B(n,p),則用公式E(ξ)=np,V(ξ)=np(1-p)求解,可大大減少計算量. 2.有些隨機變量雖不服從二項分布,但與之具有線性關系的另一隨機變量服從二項分布,此時,可以綜合應用E(a
11、ξ+b)=aE(ξ)+b以及E(ξ)=np求出E(aξ+b).同樣還可求出V(aξ+b). [變式訓練2] 空氣質量指數(shù)(Air Quality Index,簡稱AQI)是定量描述空氣質量狀況的指數(shù),空氣質量按照AQI大小分為六級,0~50為優(yōu);51~100為良;101~150為輕度污染;151~200為中度污染;201~300為重度污染;>300為嚴重污染.一環(huán)保人士記錄2015年某地某月10天的AQI的莖葉圖如圖62-1所示. 圖62-1 (1)利用該樣本估計該地本月空氣質量優(yōu)良(AQI≤100)的天數(shù);(按這個月總共30天計算) (2)將頻率視為概率,從本月中隨機抽取3天,記
12、空氣質量優(yōu)良的天數(shù)為ξ,求ξ的概率分布列、數(shù)學期望和方差. [解] (1)從莖葉圖中可發(fā)現(xiàn)該樣本中空氣質量優(yōu)的天數(shù)為2,空氣質量良的天數(shù)為4,故該樣本中空氣質量優(yōu)良的頻率為=, 從而估計該月空氣質量優(yōu)良的天數(shù)為30×=18. (2)由(1)估計某天空氣質量優(yōu)良的概率為, ξ的所有可能取值為0,1,2,3. P(ξ=0)=3=,P(ξ=1)=C2=, P(ξ=2)=C2=,P(ξ=3)=3=. 故ξ的分布列為 ξ 0 1 2 3 P 顯然ξ~B,E(ξ)=3×=1.8,隨機變量ξ的方差V(ξ)=3×=. 均值與方差在決策中的應用 有甲、乙兩種
13、棉花,從中各抽取等量的樣品進行質量檢驗,結果如下: X甲 28 29 30 31 32 P 0.1 0.15 0.5 0.15 0.1 X乙 28 29 30 31 32 P 0.13 0.17 0.4 0.17 0.13 其中X表示纖維長度(單位:mm),根據纖維長度的均值和方差比較兩種棉花的質量. [解] 由題意,得E(X甲)=28×0.1+29×0.15+30×0.5+31×0.15+32×0.1=30, E(X乙)=28×0.13+29×0.17+30×0.4+31×0.17+32×0.13=30. 又V(X甲)=(28-30
14、)2×0.1+(29-30)2×0.15+(30-30)2×0.5+(31-30)2×0.15+(32-30)2×0.1=1.1, V(X乙)=(28-30)2×0.13+(29-30)2×0.17+(30-30)2×0.4+(31-30)2×0.17+(32-30)2×0.13=1.38, 所以E(X甲)=E(X乙),V(X甲)<V(X乙),故甲種棉花的質量較好. [規(guī)律方法] 1.依據均值與方差的定義、公式求出相應的均值與方差. 2.依據均值與方差的意義對實際問題作出決策或給出合理的解釋. [變式訓練3] (2016·揚州期末)某商場舉辦“迎新年摸球”活動,主辦方準備了甲、乙兩個
15、箱子,其中甲箱中有四個球、乙箱中有三個球(每個球的大小、形狀完全相同),每一個箱子中只有一個紅球,其余都是黑球.若摸中甲箱中的紅球,則可獲獎金m元,若摸中乙箱中的紅球,則可獲獎金n元.活動規(guī)定:①參與者每個箱子只能摸一次,一次摸一個球;②可選擇先摸甲箱,也可先摸乙箱;③如果在第一個箱子中摸到紅球,則可繼續(xù)在第二個箱子中摸球,否則活動終止. (1)如果參與者先在乙箱中摸球,求其恰好獲得獎金n元的概率; (2)若要使得該參與者獲獎金額的期望值較大,請你幫他設計摸箱子的順序,并說明理由. [解] (1)設參與者先在乙箱中摸球,且恰好獲得獎金n元為事件M. 則P(M)=×=,即參與者先在乙箱
16、中摸球,且恰好獲得獎金n元的概率為. (2)參與者摸球的順序有兩種,分別討論如下: ①先在甲箱中摸球,參與者獲獎金x可取0,m,m+n, 則P(x=0)=,P(x=m)=×=,P(x=m+n)=×=; E(X)=0×+m×+(m+n)×=+; ②先在乙箱中摸球,參與者獲獎金η可取0,n,m+n, 則P(η=0)=,P(η=n)= ×=,P(η=m+n)=×=, E(η)=0×+n×+(m+n)×=+, E(X)-E(η)=, 當>時,先在甲箱中摸球,再在乙箱中摸球,參與者獲獎金期望值較大;當=時,兩種順序參與者獲獎金期望值相等; 當<時,先在乙箱中摸球,再在甲箱中摸球,參與
17、者獲獎金期望值較大. 即當>時,先在甲箱中摸球,再在乙箱中摸球,參與者獲獎金期望值較大;當=時,兩種順序參與者獲獎金期望值相等;當<時,先在乙箱中摸球,再在甲箱中摸球,參與者獲獎金期望值較大. [思想與方法] 1.均值與方差的性質 (1)E(aX+b)=aE(X)+b,V(aX+b)=a2V(X)(a,b為常數(shù)). (2)若X服從兩點分布,則E(X)=p,V(X)=p(1-p). (3)若X服從二項分布,即X~B(n,p),則E(X)=np,V(X)=np(1-p). 2.求離散型隨機變量的均值與方差的基本方法 (1)已知隨機變量的概率分布求它的均值、方差,按定義求解.
18、(2)已知隨機變量ξ的均值、方差,求ξ的線性函數(shù)η=aξ+b的均值、方差,可直接用ξ的均值、方差的性質求解. (3)如果所給隨機變量是服從二項分布,利用均值、方差公式求解. [易錯與防范] 1.理解均值E(X)易失誤,均值E(X)是一個實數(shù),由X的分布列唯一確定,即X作為隨機變量是可變的,而E(X)是不變的,它描述X值的取值平均狀態(tài). 2.注意E(aX+b)=aE(X)+b,V(aX+b)=a2V(X)易錯易混. 3.對于應用問題,必須對實際問題進行具體分析,一般要將問題中的隨機變量設出來,再進行分析,求出隨機變量的概率分布,然后按定義計算出隨機變量的均值、方差. 課時分層訓練(六
19、) A組 基礎達標 (建議用時:30分鐘) 1.某班從4名男生、2名女生中選出3人參加志愿者服務,若選出的男生人數(shù)為ξ,求ξ的方差. [解] 依題意,隨機變量ξ服從超幾何分布,ξ可能的取值為1,2,3. P(ξ=k)=,k=1,2,3. ξ的概率分布為 ξ 1 2 3 P E(ξ)=1×+2×+3×=2. V(ξ)=×(1-2)2+×(2-2)2+×(3-2)2=0.4. 2.現(xiàn)有一游戲裝置如圖62-2,小球從最上方入口處投入,每次遇到黑色障礙物等可能地向左、右兩邊落下.游戲規(guī)則為:若小球最終落入A槽,得10張獎票,若落入B槽,得5張獎票;若落入C槽,得
20、重投一次的機會,但投球的總次數(shù)不超過3次. 圖62-2 (1)求投球一次,小球落入B槽的概率; (2)設玩一次游戲能獲得的獎票數(shù)為隨機變量X,求X的概率分布及均值. 【導學號:62172336】 [解] (1)由題意可知投一次小球,落入B槽的概率為2+2=. (2)落入A槽的概率為2=, 落入B槽的概率為, 落入C槽的概率為2=. X的所有可能取值為0,5,10, P(X=0)=3=, P(X=5)=+×+2×=. P(X=10)=+×+2×=. 所以X的概率分布為 X 0 5 10 P E(X)=0×+5×+10×=. 3.(2017
21、·南通二調)一個摸球游戲,規(guī)則如下:在一不透明的紙盒中,裝有6個大小相同、顏色各異的玻璃球.參加者交費1元可玩1次游戲,從中有放回地摸球3次.參加者預先指定盒中的某一種顏色的玻璃球,然后摸球.當所指定的玻璃球不出現(xiàn)時,游戲費被沒收;當所指定的玻璃球出現(xiàn)1次,2次,3次時,參加者可相應獲得游戲費的0倍,1倍,k倍的獎勵(k∈N+),且游戲費仍退還給參加者.記參加者玩1次游戲的收益為X元. (1)求概率P(X=0)的值; (2)為使收益X的數(shù)學期望不小于0元,求k的最小值. (注:概率學源于賭博,請自覺遠離不正當?shù)挠螒颍? 【導學號:62172337】 [解] (1)事件“X=0”表示“有
22、放回的摸球3回,所指定的玻璃球只出現(xiàn)1次”, 則P(X=0)=3××2=. (2)依題意,X的可能值為k,-1,1,0, 且P(X=k)=3=,P(X=-1)=3=,P(X=1)=3×2×=,P(X=0)=, 結合(1)知,參加游戲者的收益X的數(shù)學期望為 E(X)=k×+(-1)×+1×=(元). 為使收益X的數(shù)學期望不小于0元,所以k≥110,即kmin=110. 4.(2016·山東高考)甲、乙兩人組成“星隊”參加猜成語活動,每輪活動由甲、乙各猜一個成語.在一輪活動中,如果兩人都猜對,則“星隊”得3分;如果只有一人猜對,則“星隊”得1分;如果兩人都沒猜對,則“星隊”得0分.已
23、知甲每輪猜對的概率是,乙每輪猜對的概率是;每輪活動中甲、乙猜對與否互不影響,各輪結果亦互不影響.假設“星隊”參加兩輪活動,求: (1)“星隊”至少猜對3個成語的概率; (2)“星隊”兩輪得分之和X的概率分布和數(shù)學期望E(X). [解] (1)記事件A:“甲第一輪猜對”, 記事件B:“乙第一輪猜對”, 記事件C:“甲第二輪猜對”, 記事件D:“乙第二輪猜對”, 記事件E:“‘星隊’至少猜對3個成語”. 由題意,E=ABCD+BCD+ACD+ABD+ABC, 由事件的獨立性與互斥性, P(E)=P(ABCD)+P(BCD)+P(ACD)+P(ABD)+P(ABC)=P(A)P(
24、B)P(C)P(D)+P()P(B)P(C)P(D)+P(A)P()P(C)P(D)+P(A)P(B)P()P(D)+P(A)P(B)P(C)P()=×××+2×=, 所以“星隊”至少猜對3個成語的概率為. (2)由題意,隨機變量X可能的取值為0,1,2,3,4,6. 由事件的獨立性與互斥性,得 P(X=0)=×××=, P(X=1)=2× ==, P(X=2)=×××+×××+×××+×××=, P(X=3)=×××+×××==, P(X=4)=2× ==, P(X=6)=×××==. 可得隨機變量X的概率分布為 X 0 1 2 3 4 6 P
25、 所以數(shù)學期望E(X)=0×+1×+2×+3×+4×+6×=. B組 能力提升 (建議用時:15分鐘) 1.(2016·南京鹽城二模)甲、乙兩人投籃命中的概率分別為與,各自相互獨立.現(xiàn)兩人做投籃游戲,共比賽3局,每局每人各投一球. (1)求比賽結束后甲的進球數(shù)比乙的進球數(shù)多1個的概率; (2)設ξ表示比賽結束后甲、乙兩人進球數(shù)的差的絕對值,求ξ的概率分布和數(shù)學期望E(ξ). [解] (1)比賽結束后甲的進球數(shù)比乙的進球數(shù)多1個有以下幾種情況: 甲進1球,乙進0球;甲進2球,乙進1球;甲進3球,乙進2球. 所以比賽結束后甲的進球數(shù)比乙的進球數(shù)多1個的概率 P=
26、C23+C2C3+C3C3=. (2)ξ的取值為0,1,2,3,所以ξ的概率分布列為 ξ 0 1 2 3 P 所以數(shù)學期望E(ξ)=0×+1×+2×+3×=1. 2.計劃在某水庫建一座至多安裝3臺發(fā)電機的水電站.過去50年的水文資料顯示,水庫年入流量X(年入流量:一年內上游來水與庫區(qū)降水之和,單位:億立方米)都在40以上.其中,不足80的年份有10年,不低于80且不超過120的年份有35年,超過120的年份有5年.將年入流量在以上三段的頻率作為相應段的概率,并假設各年的年入流量相互獨立. (1)求未來4年中,至多有1年的年入流量超過120的概率; (2)水
27、電站希望安裝的發(fā)電機盡可能運行,但每年發(fā)電機最多可運行臺數(shù)受年入流量X限制,并有如下關系: 年入流量X 40<X<80 80≤X≤120 X>120 發(fā)電機最多 可運行臺數(shù) 1 2 3 若某臺發(fā)電機運行,則該臺年利潤為5 000萬元;若某臺發(fā)電機未運行,則該臺年虧損800萬元.欲使水電站年總利潤的均值達到最大,應安裝發(fā)電機多少臺? [解] (1)依題意,p1=P(40<X<80)==0.2,p2=P(80≤X≤120)==0.7, p3=P(X>120)==0.1. 由二項分布知,在未來4年中至多有1年的年入流量超過120的概率為 p=C(1-p3)4+
28、C(1-p3)3p3=4+4×3×=0.947 7. (2)記水電站年總利潤為Y(單位:萬元). ①安裝1臺發(fā)電機的情形. 由于水庫年入流量總大于40,故一臺發(fā)電機運行的概率為1,對應的年利潤Y=5 000,E(Y)=5 000×1=5 000. ②安裝2臺發(fā)電機的情形. 依題意知,當40<X<80時,一臺發(fā)電機運行,此時Y=5 000-800=4 200,因此P(Y=4 200)=P(40<X<80)=p1=0.2;當X≥80時,兩臺發(fā)電機運行,此時Y=5 000×2=10 000,因此P(Y=10 000)=P(X≥80)=p2+p3=0.8.由此得Y的分布列如下: Y 4
29、200 10 000 P 0.2 0.8 所以,E(Y)=4 200×0.2+10 000×0.8=8 840. ③安裝3臺發(fā)電機的情形. 依題意,當40<X<80時,一臺發(fā)電機運行,此時Y=5 000-1 600=3 400,因此P(Y=3 400)=P(40<X<80)=p1=0.2;當80≤X≤120時,兩臺發(fā)電機運行,此時Y=5 000×2-800=9 200,因此P(Y=9 200)=P(80≤X≤120)=p2=0.7;當X>120時,三臺發(fā)電機運行,此時Y=5 000×3=15 000,因此P(Y=15 000)=P(X>120)=p3=0.1,由此得Y的分布列如下
30、: Y 3 400 9 200 15 000 P 0.2 0.7 0.1 所以,E(Y)=3 400×0.2+9 200×0.7+15 000×0.1=8 620. 綜上,欲使水電站年總利潤的均值達到最大,應安裝發(fā)電機2臺. 3.(2017·南通模擬)一位網民在網上光顧某網店,經過一番瀏覽后,對該店鋪中的A,B,C三種商品有購買意向.已知該網民購買A種商品的概率為,購買B種商品的概率為,購買C種商品的概率為.假設該網民是否購買這三種商品相互獨立. (1)求該網民至少購買2種商品的概率; (2)用隨機變量h表示該網民購買商品的種數(shù),求h的概率分布和數(shù)學期望. [解]
31、(1)記“該網民購買i種商品”為事件Ai,i=2,3,則:P(A3)=××=, P(A2)=××+××+××=, 所以該網民至少購買2種商品的概率為P(A3)+P(A2)=+=. 該網民至少購買2種商品的概率為. (2)隨機變量h的可能取值為0,1,2,3, P(h=0)=××=, 又P(h=2)=P(A2)=,P(h=3)=P(A3)=,所以P(h=1)=1---=. 所以隨機變量h的概率分布為: h 0 1 2 3 P 故數(shù)學期望E(h)=0×+1×+2×+3×=. 4.(2017·蘇州市期中)某公司對新招聘的員工張某進行綜合能力測式,共設置了
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