内容正文:
§2 离散型随机变量及其分布列
[学习目标]
知识
层面
1.通过具体实例,了解离散型随机变量的概念. 2.理解离散型随机变量分布列的表示方法和性质.
3.通过具体实例,了解伯努利试验,理解两点分布.
素养
层面
通过对随机变量、离散型随机变量及分布列的有关概念的学习,培养数学抽象素养;借助用随机变量描述随机现象,培养数学建模素养;借助求离散型随机变量的分布列,培养数学运算素养.
知识点一 随机变量
问题1 下述现象有哪些共同特点?
(1)某人在射击训练中,射击一次,命中的环数X是1,2,3,…10中的某一个数;
(2)抛掷一颗骰子,向上的点数Y是1,2,3,4,5,6中的某一个数;
(3)新生婴儿的性别,抽查的结果可能是男,也可能是女.如果将男婴用0表示,女婴用1表示,那么抽查的结果Z是0和1中的某一个数.
提示:上述现象中的X,Y,Z,实际上是把每个随机试验的样本点都对应一个确定的实数,即在试验结果(样本点)与实数之间建立了一个对应关系.
随机变量
定义
在随机试验中,确定了一个对应关系,使得样本空间的每一个样本点都用一个确定的数值表示.在这个对应关系下,数值随着试验结果的变化而变化.像这种取值随着试验结果的变化而变化的量称为随机变量
表示
随机变量常用字母X,Y,ξ,η等来表示
微思考 任何随机试验的结果都可以用数字表示吗?
提示:可以.实际上我们可以建立一个随机试验的所有结果同实数间的对应关系,根据问题的需要选择相应数字.
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角度1 随机变量的判断
判断下列各个量,哪些是随机变量,哪些不是随机变量,并说明理由.
(1)北京国际机场候机厅中2024年5月1日的旅客数量;
(2)2024年5月1日到10月1日期间所查酒驾的人数;
(3)2024年6月1日上海到北京的某次动车到北京站的时间;
(4)体积为1 000 cm3的球的半径长.
解:(1)旅客人数可能是0,1,2,…,出现哪一个结果是随机的,因此是随机变量.
(2)所查酒驾的人数可能是0,1,2,…,出现哪一个结果是随机的,因此是随机变量.
(3)动车到达的时间可在某一区间内任取一值,是随机的,因此是随机变量.
(4)球的体积为1 000 cm3时,球的半径为定值,不是随机变量.
规律方法
随机变量X满足三个特征:(1)可以用数来表示;(2)试验之前可以判断其可能出现的所有值;(3)在试验之前不能确定取何值.
对点练1.下列变量中,哪些是随机变量,哪些不是随机变量,并说明理由.
(1)任意掷一枚质地均匀的硬币5次,出现正面向上的次数;
(2)投一颗质地均匀的骰子出现的点数(最上面的数字);
(3)标准大气压下,水沸腾的温度.
解:(1)任意掷一枚硬币1次,可能出现正面向上也可能出现反面向上,因此投掷5次硬币,出现正面向上的次数可能是0,1,2,3,4,5,而且出现哪种结果是随机的,因此是随机变量.
(2)投一颗骰子出现的结果是1点,2点,3点,4点,5点,6点中的一个,且出现哪个结果是随机的,因此是随机变量.
(3)标准大气压下,水沸腾的温度100 ℃是定值,所以不是随机变量.
角度2 用随机变量表示随机试验的结果
(链教材P190例1)写出下列随机变量可能取的值,并说明随机变量所取的值和所表示的随机试验的结果.
(1)袋中有大小相同的红球10个,白球5个,从袋中每次任取1个球,直到取出的球是白球为止,所需要的取球次数;
(2)从标有1,2,3,4,5,6的6张卡片中任取2张,所取卡片上的数字之和.
解:(1)设所需的取球次数为X,则X=1,2,3,4,…,10,11,
X=i表示前i-1次取到红球,第i次取到白球,这里i=1,2,…,11.
(2)设所取卡片上的数字和为X,则X=3,4,5,…,11.
X=3,表示取出标有1,2的两张卡片;
X=4,表示取出标有1,3的两张卡片;
X=5,表示取出标有2,3或标有1,4的两张卡片;
…
X=11,表示取出标有5,6的两张卡片.
规律方法
1.解答此类问题,关键是要弄清题意,第(1)问中,X=1,2,…,11所表示的结果不需要分别列出来,引入变量i,可写成X=i.
2.在写出随机变量的取值表示的试验结果时,要特别注意随机变量的一个值表示多个试验结果的情况,不能遗漏某些试验结果.
对点练2. 写出下列随机变量可能取的值,并说明随机变量所取的值表示的随机试验的结果.
(1)一袋中装有5个同样大小的球,编号为1,2,3,4,5,现从该袋内随机取出3个球,被取出的球的最大号码数ξ;
(2)电台在每个整点都报时,报时所需时间为0.5分钟,某人随机打开收音机对时间,他所等待的时间ξ分钟.
解:(1)ξ可取3,4,5.
ξ=3,表示取出的3个球的编号为1,2,3;
ξ=4,表示取出的3个球的编号为1,2,4或1,3,4或2,3,4;
ξ=5,表示取出的3个球的编号为1,2,5或1,3,5或1,4,5或2,3,5或2,4,5或3,4,5.
(2)ξ的可能取值为区间[0,59.5]内任何一个值,每一个可能取值表示他所等待的时间.
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知识点二 离散型随机变量
问题2 观察下面的随机变量,你能发现有什么异同点吗?
(1)从10张已编号的卡片(从1号到10号)中任取1张,被取出的卡片的号数X;
(2)抛掷两枚骰子,所得点数之和ξ;
(3)某一自动装置无故障运转的时间T;
(4)电灯泡的寿命X.
提示:(1)(2)的随机变量取值可以一一列举出来,(3)(4)随机变量取值不可以列举出来.
离散型随机变量:取值能够一一列举出来的随机变量,称为离散型随机变量.
微思考 离散型随机变量的取值一定是有限个吗?
提示:不一定.可以是无限个,如1,2,3,…,n,….
指出下列随机变量是否是离散型随机变量,并说明理由.
(1)某超市5月份每天的销售额;
(2)某加工厂加工的一批某种钢管的外径与规定的外径尺寸之差ξ;
(3)江西九江市长江水位监测站所测水位在(0,29]这一范围内变化,该水位监测站所测水位ξ.
解:(1)某超市5月份每天的销售额可以一一列出,故为离散型随机变量.
(2)实际测量值与规定值之间的差值无法一一列出,不是离散型随机变量.
(3)不是离散型随机变量,水位在(0,29]这一范围内变化,不能按次序一一列举.
规律方法
判断一个随机变量X是否为离散型随机变量的方法
1.明确随机试验的所有可能结果.
2.将随机试验的试验结果数量化.
3.确定试验结果所对应的实数是否可按一定次序一一列出,如果能一一列出,则该随机变量是离散型随机变量,否则不是.
对点练3.指出下列随机变量是不是离散型随机变量,并说明理由.
(1)从20张已编好号码的卡片(从1号到20号)中任取1张,被取出的卡片的号数;
(2)一个袋中装有5个白球和5个黑球,从中任取3个,其中所含白球的个数;
(3)某林场树木最高达30 m,则此林场中树木的高度.
解:(1)只要取出一张卡片,便有一个号码,因此被取出的卡片可能的号数可以一一列出,是离散型随机变量.
(2)从10个球中取3个球,所得的结果有以下几种:3个白球;2个白球和1个黑球;1个白球和2个黑球;3个黑球.即其结果可以一一列出,是离散型随机变量.
(3)林场树木的高度是一个随机变量,它可以取(0,30]内的一切值,无法一一列举,不是离散型随机变量.
知识点三 离散型随机变量的分布列
问题3 在掷一枚骰子的随机试验中,X 表示向上的点数,X的取值有哪些?X取每个值的概率分别是多少?
提示:列成表的形式
X
1
2
3
4
5
6
P
1.离散型随机变量X的分布列
(1)定义:若离散型随机变量X的取值为x1,x2,…,xn,…,随机变量X取xi的概率为pi(i=1,2,…,n,…),记作P(X=xi)=pi(i=1,2,…,n,…)①,把①式列成如下表:
xi
x1
x2
…
xn
…
P(X=xi)
p1
p2
…
pn
…
上述表或①式称为离散型随机变量X的分布列.
如果随机变量X的分布列为上述表或①式,我们称随机变量X服从这一分布列,并记作X~.
(2)性质:在离散型随机变量X的分布列中,
①pi>0(i=1,2,…,n,…);
②p1+p2+…+pn+…=1.
2.伯努利试验
若在某个试验中,每次试验只有两个相互对立的结果,可以分别称为“成功”和“失败”,每次“成功”的概率均为p,每次“失败”的概率均为1-p,则称这样的试验为伯努利试验.
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3.两点分布
如果随机变量X的分布列如表
X
1
0
P
p
q
其中0<p<1,q=1-p,那么称离散型随机变量X服从参数为p的两点分布(又称0-1分布或伯努利分布).
两点分布不仅是最简单的,也是最重要的概率分布模型,在实际生活中有着广泛的应用.
微思考 在离散型随机变量分布列中,所有概率之和为什么为1?
提示:因为离散型随机变量所有取值对应的事件之和是必然事件,所以所有概率之和为1.
(链教材P194例5)一袋中装有6个同样大小的黑球,编号为1,2,3,4,5,6,现从中随机取出3个球,以X表示取出球的最大号码.
(1)求X的分布列;
(2)求X的取值不小于4的概率.
解:(1)依题意知随机变量X的可能取值为3,4,5,6,
P(X=3)==;P(X=4)==;
P(X=5)==;P(X=6)==.
所以随机变量X的分布列为
X
3
4
5
6
P
(2)X的取值不小于4的概率为P(X≥4)=P(X=4)+P(X=5)+P(X=6)=++=.
[变式探究]
(变设问)本题已知条件不变,以X表示取出球的最小号码,求X的分布列.
解:随机变量X的可能取值为1,2,3,4.
当X=1时,即取出的3个球中最小号码为1,则其他2个球只能在编号为2,3,4,5,6的5个球中取,故有P(X=1)==;
当X=2时,即取出的3个球中最小号码为2,则其他2个球只能在编号为3,4,5,6的4个球中取,故有P(X=2)==;
当X=3时,即取出的3个球中最小号码为3,则其他2个球只能在编号为4,5,6的3个球中取,故有P(X=3)==;
当X=4时,即取出的3个球中最小号码为4,则其他2个球只能在编号为5,6的2个球中取,故有P(X=4)==.
所以随机变量X的分布列为
X
1
2
3
4
P
规律方法
求离散型随机变量分布列的一般步骤
第一步:确定X的所有可能取值xi(i=1,2,…)以及每个取值所表示的意义;
第二步:利用概率的相关知识,求出每个取值相应的概率P(X=xi)=pi(i=1,2,…);
第三步:写出分布列;
第四步:根据分布列的性质对结果进行检验.
对点练4.现有来自甲班的3名学生、乙班的4名学生,从中任选2名,设所选2名学生中甲班的学生数为X.
(1)求X的分布列;
(2)求所选2人中甲班学生数不少于1人的概率.
解:(1)由题意知X的所有可能取值为0,1,2.
所以P(X=0)==;P(X=1)==;P(X=2)==.
所以X的分布列为
X
0
1
2
P
(2)由分布列知P(X≥1)=P(X=1)+P(X=2)=+=.
即所选两人中甲班学生数不少于1人的概率为.
分布列的性质及应用
设随机变量X的分布列P=ak(k=1,2,3,4,5).
(1)求常数a的值;
(2)求P.
解:由题意知,所给分布列为
X
1
P
a
2a
3a
4a
5a
(1)由分布列的性质得a+2a+3a+4a+5a=1,
解得a=.
(2)法一:P=P+P+P(X=1)=++=.
法二:P=1-P=1-=.
[变式探究]
(变设问)本例条件不变,求P.
解:因为<X<,所以X=,,.
所以P=P+P+P=++=.
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规律方法
分布列的性质及其应用
1.利用分布列中各概率之和为1可求参数的值,此时要注意检验,以保证每个概率值均为非负数.
2.求随机变量在某个范围内的概率时,根据分布列,将所求范围内各随机变量对应的概率相加即可,其依据是互斥事件的概率加法公式.
对点练5.设离散型随机变量X的分布列为
X
0
1
2
3
4
P
0.2
0.1
0.1
0.3
m
求:(1)2X+1的分布列;
(2)|X-1|的分布列.
解:由分布列的性质知0.2+0.1+0.1+0.3+m=1,解得m=0.3.
首先列表为
X
0
1
2
3
4
2X+1
1
3
5
7
9
|X-1|
1
0
1
2
3
从而由上表得两个分布列为
(1)2X+1的分布列
2X+1
1
3
5
7
9
P
0.2
0.1
0.1
0.3
0.3
(2)|X-1|的分布列
|X-1|
0
1
2
3
P
0.1
0.3
0.3
0.3
知识
1.随机变量的概念、特征.2.离散型随机变量的概念.3.离散型随机变量的分布列的概念及其性质.4.两点分布
方法
转化化归
易错
误区
随机变量的取值不明确导致分布列求解错误
1.10件产品中有3件次品,从中任取2件,可作为随机变量的是( )
A.取到产品的件数 B.取到次品的件数
C.取到正品的概率 D.取到次品的概率
答案:B
解析:取到次品的件数可能为0,1,2是随机的,可作为随机变量.故选B.
2.下列叙述中,X不可以做离散型随机变量的是( )
A.某座大桥一天经过的车辆数X
B.某无线电寻呼台一天内收到的寻呼次数X
C.一天之内的温度X
D.一位射击手对目标进行射击,击中目标得1分,未击中目标得0分,用X表示该射击手在一次射击中的得分
答案:C
解析:A、B、D中的X的可能取值可以一一列举出来,而C中的X可以取某一区间内的一切值,属于连续型的.故选C.
3.下列表格中,不是某个随机变量的分布列的是( )
A.
X
0
1
2
P
0.7
0.15
0.15
B.
X
-2
0
2
4
P
0.5
0.2
0.3
0
C.
X
1
2
3
P
lg 1
lg 2
lg 5
D.
X
1
2
3
P
-
答案:D
解析:D选项中,P(X=1)<0不符合P(X=xi)≥0的特点,也不符合P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)=1的特点,所以D选项不是随机变量的分布列.
4.一批产品分为一、二、三级,其中一级品是二级品的两倍,三级品为二级品的一半,从这批产品中随机抽取一个检验,其级别为随机变量X,则P= .
答案:
解析:设二级品有k个,则一级品有2k个,三级品有个,总数为个.所以X的分布列为
X
1
2
3
P
所以P=P(X=1)=.
课时测评41 离散型随机变量及其分布列
(时间:40分钟 满分:100分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—9每小题5分,共45分)
1.袋中有2个黑球和6个红球,从中任取2个,可以作为随机变量的是( )
A.取到的球的个数
B.取到红球的个数
C.至少取到一个红球
D.至少取到一个红球的概率
答案:B
解析:袋中有2个黑球和6个红球,从中任取2个,取到的球的个数是一个固定的数字,不是随机变量,故A不正确;取到红球的个数是一个随机变量,它的可能取值是0,1,2,故B正确;至少取到一个红球表示取到一个红球,或取到两个红球,表示一个事件,故C不正确;至少取到一个红球的概率是一个古典概型的概率问题,不是随机变量,故D不正确.故选B.
2.袋中装有大小相同的6个黑球,5个白球,从袋中每次任意取出1个球且不放回,直到取出的球是白球,记所需要的取球次数为随机变量X,则X的可能取值为( )
A.1,2,3,…,6 B.1,2,3,…,7
C.0,1,2,…,5 D.1,2,…,5
答案:B
解析:因为取到白球时停止,所以最少取球次数为1,即第一次就取到了白球;最多取球次数是7次,即把所有的黑球取完之后才取到白球.所以取球次数可以是1,2,3,…,7.故选B.
3.甲、乙两人下象棋,赢了得3分,平局得1分,输了得0分,共下三局.用ξ表示甲的得分,则{ξ=3}表示( )
A.甲赢三局
B.甲赢一局输两局
C.甲、乙平局三次
D.甲赢一局输两局或甲、乙平局三次
答案:D
解析:甲、乙两人下象棋,赢了得3分,平局得1分,输了得0分,所以{ξ=3}有两种情况,即甲赢一局输两局或甲、乙平局三次.故选D.
4.(多选题)下列选项中的随机变量服从两点分布的是( )
A.抛掷一枚骰子,所得点数X
B.某射击手射击一次,击中目标的次数X
C.从装有除颜色外其余均相同的5个红球、3个白球的袋中任取1个球,设X=
D.某医生做一次手术,手术成功的次数X
答案:BCD
解析:由题意可知B、C、D中的随机事件只有两种结果,随机变量均服从两点分布,而抛掷一枚骰子,所得点数X的可能取值为1,2,3,4,5,6,所以A中的随机变量不服从两点分布.故选BCD.
5.设随机变量X的分布列如表所示,则P(|X-1|≤1)等于( )
X
-1
0
1
2
P
m
A. B.
C. D.
答案:C
解析:由分布列的性质可得+m++=1,则m=,P(|X-1|≤1)=P(0≤X≤2)=P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)=++=.故选C.
6.若随机变量η的分布列如表:
η
-2
-1
0
1
2
3
P
0.1
0.2
0.2
0.3
0.1
0.1
则当P(η<x)=0.8时,实数x的取值范围是( )
A.x≤1 B.1≤x≤2
C.1<x≤2 D.1≤x<2
答案:C
解析:由分布列知,P(η=-2)+P(η=-1)+P(η=0)+P(η=1)=0.1+0.2+0.2+0.3=0.8,所以P(η<2)=0.8,故1<x≤2.故选C.
7.一用户在打电话时忘记了最后3个号码,只记得最后3个数两两不同,且都大于5.于是他随机拨最后3个数(两两不同),设他拨到正确号码所用的次数为X,随机变量X的可能值有 个.
答案:24
解析:后3个数是从6,7,8,9四个数中取3个组成的,共有A=24(个).
8.若随机变量X服从两点分布,且P(X=0)=0.8,P(X=1)=0.2.令Y=3X-2,则P(Y=-2)= .
答案:0.8
解析:由Y=-2,且Y=3X-2,得X=0,所以P(Y=-2)=P(X=0)=0.8.
9.已知离散型随机变量X的分布列为
X
0
1
2
P
1-2q
q
则P(∈Z)= .
答案:0.9
解析:由分布列的性质得1-2q≥0,q≥0,且+1-2q+q=1,解得q=0.3,所以P(∈Z)=P(X=0)+P(X=1)=+1-2×0.3=0.9.
10.(12分)某城市为了加快“两型社会”(资源节约型、环境友好型)的建设,本着健康、低碳的生活理念,租自行车骑游的人越来越多,自行车租车点的收费标准是每车每次租车时间不超过两小时免费,超过两小时的部分每小时收费2元(不足1小时的部分按1小时计算).有甲、乙两人相互独立地来该租车点租车骑游(各租一车一次).设甲、乙两人不超过两小时还车的概率分别为,;两小时以上且不超过三小时还车的概率分别为,;两人租车时间都不会超过四小时.
(1)求甲、乙两人所付的租车费用相同的概率;
(2)设甲、乙两人所付的租车费用之和为随机变量X,求X的分布列.
解:(1)由题意得,甲、乙两人在三小时以上且不超过四小时还车的概率分别为,,
租车费用相同,即两人都在同一时间段还车,
记“甲、乙两人所付的租车费用相同”为事件A,
则P(A)=×+×+×=,
所以甲、乙两人所付的租车费用相同的概率为.
(2)由题可知,X可能取的值有0,2,4,6,8,且
P(X=0)=×=;
P(X=2)=×+×=;
P(X=4)=×+×+×=;
P(X=6)=×+×=;
P(X=8)=×=.
所以X的分布列为
X
0
2
4
6
8
P
(11,12每小题5分,共10分)
11.一个袋中装有4个红球、3个黑球,小明从袋中随机取球,记取到一个红球得2分,取到一个黑球得1分,从袋中任取4个球,则小明得分大于6分的概率是( )
A. B.
C. D.
答案:A
解析:记得分为X,则X的可能取值为5,6,7,8,因为P(X=7)==,P(X=8)==,所以P(X>6)=P(X=7)+P(X=8)=+=.故选A.
12.(多选题)已知随机变量X的分布列为P(X=n)=(n=0,1,2),其中a是常数,则下列结论正确的是( )
A.P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)=1
B.a=
C.P(0≤X<2)=
D.以上均不正确
答案:ABC
解析:根据题意,随机变量X的分布列为P(X=n)=(n=0,1,2),则有P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)=++=1,解得a=,则P(0≤X<2)=P(X=0)+P(X=1)=+=.所以A、B、C正确.故选ABC.
13.(13分)有2件次品和3件正品混放在一起,现需要通过检测将其区分,每次随机检测一件产品,检测后不放回,直到检测出2件次品或者检测出3件正品时检测结束.
(1)求第一次检测出的是次品且第二次检测出的是正品的概率;
(2)已知每检测一件产品需要费用100元,设X表示直到检测出2件次品或者检测出3件正品时所需要的检测费用(单位:元),求X的分布列.
解:(1)记“第一次检测出的是次品且第二次检测出的是正品”为事件A,
则P(A)=×=.
(2)由题意可知,随机变量X的可能取值为200,300,400,
则P(X=200)==;
P(X=300)==;
P(X=400)=1-P(X=200)-P(X=300)=1--=.
故X的分布列为
X
200
300
400
P
14.(5分)如图是某市10月份1日至14日的空气污染指数折线图,空气污染指数为0~50,空气质量级别为一级;空气污染指数为51~100,空气质量级别为二级;空气污染指数为101~150,空气质量级别为三级.某人随机选择10月份的1日至13日中的某一天到达该市,并停留2天.设X是此人停留期间空气质量级别不超过二级的天数,则P(X>1)等于( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:由题意知,X的取值范围为{0,1,2},空气质量级别不超过二级的为10月份的1日、2日、3日、7日、12日、13日、14日,P(X>1)=P(X=2),即要连续两天的空气质量级别不超过二级,所以此人应在10月份的1日、2日、12日、13日中的某一天到达该市,所以P(X>1)=P(X=2)=.故选C.
15.(15分)连续抛掷一枚质地均匀的骰子两次,用X表示掷出的点数之和,试求X的分布列.
解:用(i,j)表示抛掷的结果,其中i表示第一次掷出的点数,j表示第二次掷出的点数.
于是,连续抛掷一枚质地均匀的骰子两次,共有36种结果,结果如表:
第二次
第一次
1
2
3
4
5
6
1
(1,1)
(1,2)
(1,3)
(1,4)
(1,5)
(1,6)
2
(2,1)
(2,2)
(2,3)
(2,4)
(2,5)
(2,6)
3
(3,1)
(3,2)
(3,3)
(3,4)
(3,5)
(3,6)
4
(4,1)
(4,2)
(4,3)
(4,4)
(4,5)
(4,6)
5
(5,1)
(5,2)
(5,3)
(5,4)
(5,5)
(5,6)
6
(6,1)
(6,2)
(6,3)
(6,4)
(6,5)
(6,6)
显然,这36种结果发生的概率是相同的,都是.
由上表,X的可能取值为2,3,…,12,
使X=2有1种:(1,1),则P(X=2)=.
使X=3有2种:(1,2),(2,1),则P(X=3)=.
使X=4有3种:(1,3),(2,2),(3,1),则P(X=4)=.
使X=5有4种:(1,4),(2,3),(3,2),(4,1),则P(X=5)=.
使X=6有5种:(1,5),(2,4),(3,3),(4,2),(5,1),则P(X=6)=.
使X=7有6种:(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1),
则P(X=7)=.
使X=8有5种:(2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2),则P(X=8)=.
使X=9有4种:(3,6),(4,5),(5,4),(6,3),则P(X=9)=.
使X=10有3种:(4,6),(5,5),(6,4),则P(X=10)=.
使X=11有2种:(5,6),(6,5),则P(X=11)=.
使X=12有1种:(6,6),则P(X=12)=.
故X的分布列为
X
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
P
学生用书第147页
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