内容正文:
第四章 概率与统计
4.2 随机变量
4.2.4 随机变量的数字特征
第2课时 离散型随机变量的方差
15分钟对点练
30分钟综合练
目录
15分钟对点练
答案
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15分钟对点练
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解
析
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15分钟对点练
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答案
解析
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15分钟对点练
6
知识点二 离散型随机变量方差的性质
3.D(ξ-D(ξ))的值为( )
A.0 B.1
C.D(ξ) D.2D(ξ)
解析: ∵D(ξ)是一个常数,而常数的方差等于零,∴D(ξ-D(ξ))=D(ξ).
答案
解析
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答案
解析
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15分钟对点练
8
5.袋中有20个大小相同的球,其中标记上0号的有10个,标记上n号的有n个(n=1,2,3,4).现从袋中任取一球,ξ表示所取球的标号.
(1)求ξ的分布列、均值和方差;
(2)若η=aξ+b,E(η)=1,D(η)=11,试求a,b的值.
解
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解
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答案
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解析
解析:随机变量X的分布列为
∴E(X)=0×(1-m)+1×m=m,∴D(X)=(0-m)2×(1-m)+(1-m)2×m=m(1-m).
X 0 1
P 1-m m
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12
7.有一批产品,其中有12件正品和4件次品,有放回地任取3件,若X表示取到次品的次数,则D(X)=_____.
解析
答案
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15分钟对点练
13
8.已知随机变量X+Y=8,若X~B(10,0.6),则E(Y)=____,D(Y)=____.
解析:∵X~B(10,0.6),∴E(X)=10×0.6=6,D(X)=10×0.6×(1-0.6)=2.4.又X+Y=8,∴Y=8-X,∴E(Y)=E(8-X)=8-E(X)=8-6=2,D(Y)=D(-X+8)=D(X)=2.4.
解析
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答案
2.4
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30分钟综合练
基础题(占比50%) 中档题(占比30%) 拔高题(占比20%)
题号 1 2 3 4 5 6
难度 ★ ★ ★ ★★ ★★ ★
对点 利用公式求离散型随机变量的方差 分布列的性质、均值与方差的计算 由二项分布的均值与方差公式及性质求参数 离散型随机变量的方差与二次函数的性质相结合 分布列的性质、利用二次函数的性质求离散型随机变量方差的最值 利用均值、方差公式列方程组求参数
题号 7 8 9 10 11 12
难度 ★ ★★ ★ ★★ ★★★ ★★★
对点 二项分布的方差、方差的性质 二项分布的方差与基本不等式相结合 超几何分布的分布列、均值、方差与统计知识相结合 相互独立事件的概率、随机变量的分布列与均值、二项分布的均值与方差 利用随机变量的均值求参数、利用均值与方差解决概率中的决策问题 离散型随机变量的分布列、均值与方差
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2.已知随机变量X的分布列如下表(其中a为常数):
则下列计算结果正确的是( )
A.a=0.2 B.P(X≥2)=0.7
C.E(X)=1.4 D.D(X)=6.3
X 0 1 2 3
P 0.2 0.3 0.4 a
解析:因为0.2+0.3+0.4+a=1,所以a=0.1,故A错误;由分布列知P(X≥2)=0.4+0.1=0.5,故B错误;E(X)=0×0.2+1×0.3+2×0.4+3×0.1=1.4,故C正确;D(X)=(0-1.4)2×0.2+(1-1.4)2×0.3+(2-1.4)2×0.4+(3-1.4)2×0.1=0.84,故D错误.故选C.
答案
解析
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7.某次考试中,第一大题由12个选择题组成,每题选对得5分,不选或选错得0分.小王选对每题的概率为0.8,则其第一大题得分的方差为____.
解析:设小王选对题的个数为X,得分η=5X,则X~B(12,0.8),D(X)=12×0.8×(1-0.8)=1.92,D(η)=D(5X)=25D(X)=25×1.92=48.
答案
解析
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8.设每次试验成功的概率都为p,进行100次独立重复试验,当p=_____时,成功次数的方差的值最大,其最大值为____.
答案
解析
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30分钟综合练
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三、解答题
9.某班共50名同学,在一次数学考试中全班同学成绩全部在90分到140分之间.将成绩按如下方式分成五组:第一组:[90,100),第二组:[100,110),…,第五组:[130,140].按上述分组方法得到的频率分布直方图如图所示.将成绩大于或等于100分且小于120分记为“良好”,120分及以上记为“优秀”,小于100分记为“及格”.
(1)求该班学生在这次数学考试中成绩“良好”的人数;
(2)若从第一、五组中共随机取出两个成绩,记X为取
得第一组成绩的个数,求X的分布列、数学期望与方差.
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11.随着经济的飞速发展,市场条件的成熟以及监管机制的不断完善,投资理财逐渐融入人们的生活.若A家庭有资产100万,他们的投资预期年收益率不低于20%,通过考察,有两个投资方案供他们选择:
甲方案:
乙方案:
(1)如果A家庭投资甲方案,且达到他们的投资预期年收益率,试求a的最小值;
(2)在a取得(1)中最小值的条件下他们投资哪个方案较好?请说明理由.
年收益(万元) -15 30
概率 1-a a
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解
年收益(万元) -15 30
概率 1-a a
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12.某迷宫有三个通道,进入迷宫的每个人都要经过一扇智能门.首次到达此门,系统会随机(即等可能)为你打开一个通道,若是1号通道,则需要1小时走出迷宫;若是2号、3号通道,则分别需要2小时、3小时返回智能门.再次到达智能门时,系统会随机打开一个你未到过的通道,直至走出迷宫为止.令ξ表示走出迷宫所需的时间.
(1)求ξ的分布列;
(2)求ξ的均值和方差.
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12
42
R
知识点一 离散型随机变量方差的求法
1.已知X的分布列为
X
1
2
3
4
P
eq \f(1,4)
eq \f(1,3)
eq \f(1,6)
eq \f(1,4)
则D(X)的值为( )
A.eq \f(29,12)
B.eq \f(121,144) C.eq \f(179,144)
D.eq \f(17,12)
解析:∵E(X)=1×eq \f(1,4)+2×eq \f(1,3)+3×eq \f(1,6)+4×eq \f(1,4)=eq \f(29,12),∴D(X)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(29,12)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,4)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-\f(29,12)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,3)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3-\f(29,12)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,6)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4-\f(29,12)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,4)=eq \f(179,144).
解析:由题意,得E(X)=1×0.4+3×0.1+5×(1-0.4-0.1)=3.2,∴方差为(1-3.2)2×0.4+(3-3.2)2×0.1+(5-3.2)2×0.5=1.936+0.004+1.62=3.56,∴X的标准差为eq \r(3.56).故选D.
2.已知随机变量X的分布列如下表,则X的标准差为( )
X
1
3
5
P
0.4
0.1
m
A.0.95
B.eq \r(3.2) C.0.7
D.eq \r(3.56)
解析:p=1-eq \f(1,6)-eq \f(1,3)=eq \f(1,2),E(X)=0×eq \f(1,6)+2×eq \f(1,2)+a×eq \f(1,3)=2,解得a=3,∴D(X)=(0-2)2×eq \f(1,6)+(2-2)2×eq \f(1,2)+(3-2)2×eq \f(1,3)=1,∴D(2X-3)=22D(X)=4.
4.若随机变量X的分布列如下表,且E(X)=2,则D(2X-3)=( )
X
0
2
a
P
eq \f(1,6)
p
eq \f(1,3)
A.2
B.3 C.4
D.5
解:(1)由题意,得ξ的取值范围是{0,1,2,3,4},
P(ξ=0)=eq \f(10,20)=eq \f(1,2),P(ξ=1)=eq \f(1,20),P(ξ=2)=eq \f(2,20)=eq \f(1,10),
P(ξ=3)=eq \f(3,20),P(ξ=4)=eq \f(4,20)=eq \f(1,5).
故ξ的分布列为
ξ
0
1
2
3
4
P
eq \f(1,2)
eq \f(1,20)
eq \f(1,10)
eq \f(3,20)
eq \f(1,5)
所以E(ξ)=0×eq \f(1,2)+1×eq \f(1,20)+2×eq \f(1,10)+3×eq \f(3,20)+4×eq \f(1,5)=1.5,
D(ξ)=(0-1.5)2×eq \f(1,2)+(1-1.5)2×eq \f(1,20)+(2-1.5)2×eq \f(1,10)+(3-1.5)2×eq \f(3,20)+(4-1.5)2×eq \f(1,5)=2.75.
(2)由E(aξ+b)=aE(ξ)+b=1,D(aξ+b)=a2D(ξ)=11,及E(ξ)=1.5,D(ξ)=2.75,得1.5a+b=1,2.75a2=11,
解得a=2,b=-2或a=-2,b=4.
知识点三 两点分布与二项分布的方差
6.设一随机试验的结果只有A和eq \o(A,\s\up12(-)),且P(A)=m,令随机变量X=eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(1,A发生,,0,A不发生,))则X的方差D(X)等于( )
A.m
B.2m(1-m)
C.m(m-1)
D.m(1-m)
解析:由题意知取到次品的概率为eq \f(1,4),∴X~Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3,\f(1,4))),∴D(X)=3×eq \f(1,4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,4)))=eq \f(9,16).
eq \f(9,16)
9.某商场为刺激消费,拟按以下方案进行促销:顾客消费每满500元便得到奖券1张,每张奖券的中奖概率为eq \f(1,2),且每张奖券是否中奖是相互独立的,若中奖,则商场返回顾客现金100元.某顾客现购买单价为2300元的台式电脑一台,得到奖券4张.
(1)设4张奖券中中奖的张数为ξ,求ξ的分布列;
(2)设该顾客购买台式电脑的实际支出为η(单位:元),用ξ表示η,并求η的数学期望和方差.
解:(1)∵每张奖券是否中奖是相互独立的,
∴ξ~Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4,\f(1,2))),
∴P(ξ=i)=Ceq \o\al(i,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up12(4)(i=0,1,2,3,4),
∴ξ的分布列为
ξ
0
1
2
3
4
P
eq \f(1,16)
eq \f(1,4)
eq \f(3,8)
eq \f(1,4)
eq \f(1,16)
(2)∵ξ~Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4,\f(1,2))),
∴E(ξ)=4×eq \f(1,2)=2,D(ξ)=4×eq \f(1,2)×eq \f(1,2)=1.
又由题意可知η=2300-100ξ,
∴E(η)=E(2300-100ξ)=2300-100E(ξ)=2300-100×2=2100,
D(η)=1002D(ξ)=10000.
解析:E(X)=3×eq \f(1,3)+6×eq \f(1,3)+9×eq \f(1,3)=6,D(X)=(3-6)2×eq \f(1,3)+(6-6)2×eq \f(1,3)+(9-6)2×eq \f(1,3)=6.
一、选择题
1.已知随机变量X的分布规律为P(X=k)=eq \f(1,3),k=3,6,9,则D(X)=( )
A.6
B.9 C.3
D.4
3.[多选]已知X~B(n,p),且E(3X-9)=D(3X-9)=27,则( )
A.n=18
B.n=16
C.p=eq \f(1,4)
D.p=eq \f(3,4)
解析:由题意可知3E(X)-9=9D(X)=27,则eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(3np-9=27,,9np(1-p)=27,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(p=\f(3,4),,n=16.))故选BD.
4.设0<p<1,随机变量ξ的分布列是
ξ
0
1
2
P
eq \f(1-p,2)
eq \f(1,2)
eq \f(p,2)
则当p在(0,1)内增大时( )
A.D(ξ)减小
B.D(ξ)增大
C.D(ξ)先减小后增大
D.D(ξ)先增大后减小
解析:由题可得E(ξ)=eq \f(1,2)+p,所以D(ξ)=-p2+p+eq \f(1,4)=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(p-\f(1,2)))
eq \s\up12(2)+eq \f(1,2),所以当p在(0,1)内增大时,D(ξ)先增大后减小.故选D.
解析:∵分布列中概率和为1,∴a+eq \f(1,3)=1,∴a=eq \f(2,3).∵E(ξ)=2,∴eq \f(m,3)+eq \f(2n,3)=2,∴m=6-2n,∴D(ξ)=eq \f(1,3)×(m-2)2+eq \f(2,3)×(n-2)2=eq \f(2,3)×(n-2)2+eq \f(1,3)×(6-2n-2)2=2n2-8n+8=2(n-2)2.∵n∈[1,2),∴当n=1时,D(ξ)取得最大值2.
5.若随机变量ξ的分布列为P(ξ=m)=eq \f(1,3),P(ξ=n)=a,n∈[1,2),若E(ξ)=2,则D(ξ)的最大值为( )
A.1
B.2
C.4
D.无法计算
二、填空题
6.已知离散型随机变量X的分布列如下表:
X
-1
0
1
2
P
a
b
c
eq \f(1,12)
若E(X)=0,D(X)=1,则a=________.
eq \f(5,12)
解析:E(X)=0,D(X)=1,由离散型随机变量X的分布列的性质知eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(a+b+c+\f(1,12)=1,,-a+c+\f(2,12)=0,,a+c+\f(4,12)=1,))计算得出a=eq \f(5,12).
eq \f(1,2)
解析:设每次试验失败的概率为q,则p+q=1,设进行100次独立重复试验成功的次数为ξ,则D(ξ)=100pq≤100eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(p+q,2)))
eq \s\up12(2)=eq \f(100,4)=25,当且仅当p=q=eq \f(1,2)时,等号成立,此时,D(ξ)=25.
解:(1)由频率分布直方图知,成绩在[100,120)内的人数为50×0.016×10+50×0.038×10=27,所以该班学生在这次数学考试中成绩“良好”的人数为27.
(2)由频率分布直方图可知第一组有0.006×10×50=3个成绩,第五组有0.008×10×50=4个成绩,即第一、五组中共有7个成绩.
由题意知,X的取值范围是{0,1,2},
P(X=0)=0,3)eq \f(CCeq \o\al(2,4),Ceq \o\al(2,7))
=eq \f(2,7),P(X=1)=1,3)eq \f(CCeq \o\al(1,4),Ceq \o\al(2,7))
=eq \f(4,7),
P(X=2)=2,3)eq \f(CCeq \o\al(0,4),Ceq \o\al(2,7))
=eq \f(1,7).
则X的分布列为
X
0
1
2
P
eq \f(2,7)
eq \f(4,7)
eq \f(1,7)
E(X)=0×eq \f(2,7)+1×eq \f(4,7)+2×eq \f(1,7)=eq \f(6,7),
D(X)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0-\f(6,7)))
eq \s\up12(2)×eq \f(2,7)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(6,7)))
eq \s\up12(2)×eq \f(4,7)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-\f(6,7)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,7)=eq \f(20,49).
10.学校举行定点投篮比赛,规定每人投篮4次,投中一球得2分,没有投中得0分,假设每次投篮投中与否相互独立.已知小明每次投篮投中的概率都是eq \f(1,3),小强每次投篮投中的概率都是p(0<p<1).
(1)求小明直到第3次才投中的概率;
(2)求小明4次投篮后的总得分ξ的分布列和期望;
(3)小强投篮4次,记投中的次数为X,若E(X)=1,求p和D(X).
解:(1)设“小明在投篮过程中直到第3次才投中”为事件A,事件A说明小明前2次未投中,第3次投中,
所以P(A)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,3)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,3)=eq \f(4,27),
故小明直到第3次才投中的概率为eq \f(4,27).
(2)小明4次投篮后的总得分ξ的取值范围为{0,2,4,6,8}.
P(ξ=0)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,3)))
eq \s\up12(4)=eq \f(16,81),
P(ξ=2)=Ceq \o\al(1,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,3)))
eq \s\up12(3)×eq \f(1,3)=eq \f(32,81),
P(ξ=4)=Ceq \o\al(2,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,3)))
eq \s\up12(2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))
eq \s\up12(2)=eq \f(8,27),
P(ξ=6)=Ceq \o\al(3,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,3)))×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))
eq \s\up12(3)=eq \f(8,81),
P(ξ=8)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))
eq \s\up12(4)=eq \f(1,81).
所以ξ的分布列为
ξ
0
2
4
6
8
P
eq \f(16,81)
eq \f(32,81)
eq \f(8,27)
eq \f(8,81)
eq \f(1,81)
E(ξ)=0×eq \f(16,81)+2×eq \f(32,81)+4×eq \f(8,27)+6×eq \f(8,81)+8×eq \f(1,81)=eq \f(8,3).
(3)由题意,知随机变量X~B(4,p),
所以E(X)=4p=1,解得p=eq \f(1,4),
所以D(X)=4p(1-p)=4×eq \f(1,4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,4)))=eq \f(3,4).
年收益(万元)
-30
0
50
概率
eq \f(1,3)
eq \f(1,15)
eq \f(3,5)
解:(1)设他们投资甲方案的年收益为E(X)万元,
则E(X)=(-15)×(1-a)+30×a=45a-15,
∴要达到他们的投资预期年收益率,
则45a-15≥100×20%,解得a≥eq \f(7,9),
又0≤a≤1,0≤1-a≤1,
∴a∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(7,9),1)),即amin=eq \f(7,9).
(2)由(1)知,E(X)=(-15)×eq \f(2,9)+30×eq \f(7,9)=20.
设投资乙方案的年收益为E(Y)万元,
则E(Y)=(-30)×eq \f(1,3)+0×eq \f(1,15)+50×eq \f(3,5)=20.
设投资甲方案的方差为D(X),则D(X)=(-15-20)2×eq \f(2,9)+(30-20)2×eq \f(7,9)=350.设投资乙方案的方差为D(Y),则D(Y)=(-30-20)2×eq \f(1,3)+(0-20)2×eq \f(1,15)+(50-20)2×eq \f(3,5)=1400.
∵E(X)=E(Y),D(X)<D(Y),
∴选择甲方案比较好.
年收益(万元)
-30
0
50
概率
eq \f(1,3)
eq \f(1,15)
eq \f(3,5)
解:(1)ξ的取值范围是{1,3,4,6},
当ξ=1时,直接从1号通道走出,
则P(ξ=1)=eq \f(1,3);
当ξ=3时,先走2通道,再走1通道,
则P(ξ=3)=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)=eq \f(1,6);
当ξ=4时,先走3通道,再走1通道,
则P(ξ=4)=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)=eq \f(1,6);
当ξ=6时,先走2通道,再走3通道,最后再走1通道,或者先走3通道,再走2通道,最后再走1通道,
则P(ξ=6)=2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)×\f(1,2)))×1=eq \f(1,3).
所以ξ的分布列为
ξ
1
3
4
6
P
eq \f(1,3)
eq \f(1,6)
eq \f(1,6)
eq \f(1,3)
(2)E(ξ)=1×eq \f(1,3)+3×eq \f(1,6)+4×eq \f(1,6)+6×eq \f(1,3)=eq \f(7,2),
D(ξ)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(7,2)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,3)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3-\f(7,2)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,6)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4-\f(7,2)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,6)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(6-\f(7,2)))
eq \s\up12(2)×eq \f(1,3)=eq \f(17,4).
$$