内容正文:
第7节 二项分布、超几何分布与正态分布
1.理解n次独立重复试验的模型及二项分布.能解决一些简单的实际问题.
2.理解超几何分布及其导出过程,并能进行简单的应用.
3.理解正常分布的特点,并能解决一些简单的实际问题.
一、n重伯努利试验
1.伯努利试验:把只包含两个可能结果的试验叫作伯努利试验.我们将一个伯努利试验独立地重复进行n次,且每次实验的结果都不受其他试验结果的影响,称这样的n次独立重复试验为n重伯努利试验.
2.n重伯努利试验的特征
(1)同一个伯努利试验重复做n次;
(2)各次试验的结果相互独立.
二、二项分布
1.定义:一般地,在n重伯努利试验中,设每次成功的概率为p(0<p<1),用X表示这n次试验中成功的次数,则X的分布列为P(X=k)=Cpk(1-p)n-k,k=0,1,2,…,n.
如果随机变量X的分布列具有上式的形式,则称随机变量X服从参数为n,p的二项分布,记作X~B(n,p).
2.二项分布的均值与方差:如果X~B(n, p),那么EX=np,DX=np(1-p).
三、超几何分布
1.定义:一般地,设有N件产品,其中有M(M≤N)件次品.从中任取n(n≤N)件产品,用X表示取出的n件产品中次品的件数,那么P(X=k)=,max{0,n-(N-M)}≤k≤min{n,M}.其中n≤N,M≤N,n,M,N∈N+.
公式中的k可以取的最小值为max{0,n-(N-M)},而不一定是0.
若一个随机变量X的分布列由上式确定,则称随机变量X服从参数为N,M,n的超几何分布.
2.服从超几何分布的均值
一般地,当随机变量X服从参数为N,M,n的超几何分布时,其均值为EX=.
四、正态分布
1.定义:由误差引起的连续型随机变量其分布密度函数图象如图,对应的分布密度函数解析式为φμ,σ(x)=e-,x∈(-∞,+∞),其中实数μ,σ(σ>0)为参数,这一类随机变量X的分布密度(函数)称为正态分布密度(函数),简称正态分布,对应的图象为正态分布密度曲线,简称为正态曲线.
2.正态分布的特点
如果一个随机变量X服从正态分布,那么对于任何实数a,b(a<b),随机变量X在区间(a,b]的概率可以用P(a<X≤b)来表示.它的几何意义就是随机变量X的分布密度曲线在区间(a,b]对应的曲边梯形面积的值(如图所示).
如果随机变量X服从正态分布,那么这个正态分布完全由参数μ,σ(σ>0)确定,记为X~N(μ,σ2),其中EX=μ,DX=σ2.
3.正态曲线的性质
(1)曲线在x轴的上方,与x轴不相交.
(2)曲线是单峰的,关于直线x=μ对称.
(3)曲线的最高点位于x=μ处.
(4)当x<μ时,曲线上升;当x>μ时,曲线下降;并且当曲线向左、右两边无限延伸时,以x轴为渐近线(如图所示).
因为正态分布完全由μ和σ确定,所以正态曲线还具有下列特点:
①当σ一定时,曲线的位置由μ确定,曲线随着μ的变化而沿x轴平移.
②当μ一定时,曲线的形状由σ确定,σ越大,曲线越“矮胖”,表示总体的分布越分散;σ越小,曲线越“高瘦”,表示总体的分布越集中.
4.3σ原则
如图,正态分布随机变量X在区间(μ-σ,μ+σ](σ>0)上取值的概率为阴影部分的面积.
特别地,P(μ-σ<X≤μ+σ)≈0.682 6,
P(μ-2σ<X≤μ+2σ)≈0.954 4,
P(μ-3σ<X≤μ+3σ)≈0.997 4.
因此,随机变量X在区间(μ-σ,μ+σ],(μ-2σ,μ+2σ],(μ-3σ,μ+3σ]上取值的概率分别约为68.3%,95.4%,99.7%.而随机变量X在区间(μ-3σ,μ+3σ]外取值的概率只有0.3%,通常认为这种情况在一次试验中几乎是不可能发生的,认为是小概率事件.因此,在实际应用中,通常认为服从正态分布N(μ,σ2)的随机变量X只取区间(μ-3σ,μ+3σ]之间的值,并称之为3σ原则.
◆[思考辨析]
判断下列说法是否正确,正确的在它后面的括号里打“√”,错误的打“×”.
(1)某同学投篮的命中率为0.6,他10次投篮中命中的次数X是一个随机变量,且X~B(10,0.6).( )
(2) 正态曲线是单峰的,其与x轴围成的面积是随参数μ,σ的变化而变化的.( )
(3)二项分布是一个概率分布列,是一个用公式P(X=k)=Cpk(1-p)n-k,k=0,1,2,…,n表示的概率分布列,它表示了n次独立重复试验中事件A发生次数的概率分布.( )
(4)小王通过英语听力测试的概率是,他连续测试3次,那么其中恰好第3次测试获得通过的概率是P=C··=.( )
(5)当μ一定时,曲线的形状由σ确定,σ越小,曲线越“瘦高”,σ越大,曲线越“矮胖”.( )
(6)从4名男演员和3名女演员中选出4人,其中女演员的人数X服从超几何分布.( )
答案:(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5) √ (6)√
◆[小题查验]
1.(BSD选择性必修第一册P207例1改编)鸡接种一种疫苗后,有90%不会感染某种病毒,如果有5只鸡接种了疫苗,则恰好有4只鸡没有感染病毒的概率约为( )
A.0.33 B.0.66 C.0.5 D.0.45
解析:A [设5只接种疫苗的鸡中没有感染病毒的只数为X,则X~B(5,0,9),所以P(X=4)=C×0.94×0.1≈0.33.]
2.随机变量X的概率分布密度函数f(x)=e(x∈R),其图象如图所示,设P(X≥2)=p,则图中阴影部分的面积为( )
A.p B.2p
C.-p D.1-2p
解析:C [由题意可知X~N(1,σ2),则P(X≤0)=P(X≥2)=p,故图中阴影部分的面积为-p.]
3.有10件产品,其中3件是次品,从中任取2件,用X表示取到次品的个数,则EX等于( )
A. B.
C. D.1
解析:A [法一:X的可能取值为0,1,2,P(X=0)==,P(X=1)==,P(X=2)==.所以EX=1×+2×=;
法二:从10产品中任取一件为次品的概率是p=,由于X服从超几何分布,故EX=np=2×=.]
4.(混淆二项分布与超几何分布致误)箱子里有5个黑球,4个白球,每次随机取出一个球,若取出黑球,则放回箱中,重新取球;若取出白球,则停止取球,那么在第4次取球之后停止的概率为( )
A. B.×
C.× D.C××
解析:B [由题意知,第四次取球后停止是当且仅当前三次取的球是黑球,第四次取的球是白球的情况,此事件发生的概率为×.]
5.(对正态分布的性质及意义不熟悉致错)随机变量ξ服从正态分布ξ~N(μ,σ2),若P(μ-2≤ξ≤μ)=0.241,则P(ξ>μ+2)=________.
解析:∵随机变量ξ服从正态分布ξ~N(μ,σ2),
∴P(μ-2≤ξ≤μ+2)=2P(μ-2≤ξ≤μ)=0.482,
∴P(ξ>μ+2)=[1-P(μ-2≤ξ≤μ+2)]=×(1-0.482)=0.259.
答案:0.259
二项分布及其应用
►[命题点1] 独立重复试验与二项分布
[典例1] (2025·河南模拟)中国教育国际交流协会主办的联合国国际教育日—中国活动在京举办,活动主题为“她改变:女童和妇女教育与可持续发展”,教育部副部长、中国联合国教科文组织全国委员会主任田学军以视频方式出席活动,来自20多个国家的驻华使节、国际组织代表和专家学者在线参加活动.会前有两种会议模式可供选择,为此,组委会对两种方案进行选拔:组委会对两种方案的5项功能进行打分,每项打分获胜的一方得1分,失败的一方不得分.已知每项功能评比中,方案一获胜的概率为(每项得分不考虑平局的情况).
(1)求打分结束后,方案一恰好领先方案二1分的概率;
(2)设打分结束后方案一的得分为随机变量X,求X的分布列.
[解] (1)设打分结束后,方案一恰好领先方案二1分为事件A,由题可得方案一5项功能获胜3项,所以P(A)=C=.
即所求的概率为.
(2)由题意可知X~B,P(X=0)==;P(X=1)=C××=;P(X=2)=C××=;P(X=3)=C××=;P(X=4)=C××=;P(X=5)==.则随机变量X的分布列为:
X
0
1
2
3
4
5
P
判断某随机变量是否服从二项分布的关键点:
(1)在每一次试验中,事件发生的概率相同.
(2)各次试验中的事件是相互独立的.
(3)在每一次试验中,试验的结果只有两个,即发生与不发生.
1.(2025·福州模拟)福州纸伞是历史悠久的中国传统手工艺品,属于福州三宝之一.纸伞的制作工序大致分为三步:第一步削伞架,第二步裱伞面,第三步绘花刷油.已知某工艺师在每个步骤制作合格的概率分别为,,,只有当每个步骤制作都合格才认为制作成功1次.
(1)求该工艺师进行3次制作,恰有1次制作成功的概率;
(2)若该工艺师制作4次,其中制作成功的次数为X,求X的分布列.
解:(1)由题意可知,1次制作成功的概率为××=,
所以该工艺师进行3次制作,恰有1次制作成功的概率P=C××=.
(2)由题意知X的可能取值为0,1,2,3,4,X~B,
它的分布列为P(x=k)=C(k=0,1,2,3,4),即
X
0
1
2
3
4
P
►[命题点2] 二项分布的期望与方差
[典例2] 为了响应全民健身和运动的号召,某单位举行了羽毛球趣味发球比赛,规则如下:每位选手可以选择在A区发球2次或者B区发球3次,球落到指定区域内才能得分.在A区发球时,每得分一次计2分,不得分记0分,在B区发球时,每得分一次计3分,不得分记0分,得分高者胜出.已知选手甲在A区和B区每次发球得分的概率分别为,.
(1)如果选手甲从在A区和B区发球得分的期望值角度考虑,问选手甲应该选择在哪个区发球?
(2)如果选手甲从在A区和B区发球得分的方差角度考虑,问选手甲应该选择在哪个区发球?
解:(1)设选手甲在A区发2次球得分的次数为X,则X~B,
所以EX=2×=,
所以甲在A区发球得分的期望为E(2X)=2EX=2×=.
设选手甲在B区发3次球得分的次数为Y,则Y~B,所以EY=3×=1,
所以甲在B区发球得分的期望为E(3Y)=3EY=3×1=3.
由于3>,所以选手甲应该选择在B区发球.
(2)因为DX=2××=,DY=3××=,所以D(2X)=4DX=4×=,D(3Y)=9DY=9×=6,
由于<6,所以选手甲应该选择在A区发球.
二项分布的期望与方差
(1)如果ξ~B(n,p),则用公式Eξ=np;Dξ=np(1-p)求解,可大大减少计算量.
(2)有些随机变量虽不服从二项分布,但与之具有线性关系的另一随机变量服从二项分布,这时,可以综合应用E(aξ+b)=aEξ+b以及Eξ=np求出E(aξ+b),同样还可求出D(aξ+b).
2.(2025·上海复旦附中模拟)已知随机变量X服从二项分布B(12,0.25),且E(aX-3)=3(a∈R),则D(aX-3)=________.
解析:因为X~B(12, 0.25),所以EX=12×0.25=3,DX=12×0.25×(1-0.25)=,
又E(aX-3)=aEX-3=3,即3a-3=3,解得a=2,
所以D(aX-3)=D(2X-3)=22DX=4×=9.
答案:9
3.(2025·北京延庆模拟)已知某计算机网络的服务器有三台设备,只要有一台能正常工作,计算机网络就不会断掉.如果三台设备各自能正常工作的概率都为0.8,它们之间互相不影响.设能正常工作的设备数为X.
(1)求X的分布列;
(2)求E和D;
(3)求计算机网络不会断掉的概率.
解:(1)由题意得X的可能取值为0,1,2,3,且X~B,
P=C×0.80×3=0.008,
P=C×0.81×2=0.096,
P=C×0.82×1=0.384,
P=C×0.83×0=0.512,
所以X的分布列如下:
X
0
1
2
3
P
0.008
0.096
0.384
0.512
(2)因为X~B,所以E=3×0.8=2.4,D=3×0.8×=0.48.
(3)要使得计算机网络不会断掉,也就是要求能正常工作的设备至少有一台,即X≥1,
因此所求概率为P=1-P=1-P=1-0.008=0.992.
超几何分布
[典例] (2025·山东枣庄测试)一批笔记本电脑共有10台,其中A品牌3台,B品牌7台,如果从中随机挑选2台,设挑选的2台电脑中A品牌的台数为X.
(1)求X的分布列;
(2)求X的均值和方差.
[解] (1)依题意,X的可能值有0,1,2.
则P(X=0)==,P(X=1)==,P(X=2)==.
则X的分布列为:
X
0
1
2
P
(2)由(1)中的分布列,可得E(X)=1×+2×=,
D(X)=×+×+×=.
1.超几何分布的两个特点
(1)超几何分布是不放回抽样问题.
(2)随机变量为抽到的某类个体的个数.
2.超几何分布的特征:(1)考查对象分两类;(2)已知各类对象的个数;(3)从中抽取若干个个体,考查某类个体个数X的概率分布.
3.超几何分布主要用于抽检产品、摸不同类别的小球等概率模型,其实质是古典概型.
(2025·济宁月考)某学校对食堂饭菜质量进行满意度调查,随机抽取了200名学生进行调查,获取数据如下:
满意度
性别
满意
不满意
弃权
男生
80
30
10
女生
50
20
10
(1)用频率估计概率,该校学生对食堂饭菜质量满意的概率;
(2)用分层抽样的方法从上表中不满意的50人中抽取5人征求整改建议,再从这5个人中随机抽取2人参与食堂的整改监督,则抽取的2人中女生的人数X,求X的分布列和期望.
解:(1)设“对食堂饭菜质量满意”为事件A.
在200人中对饭菜质量满意的有130人,
∴P(A)=.
(2)分层抽取比例λ==,
男生抽取人30×=3,女生抽取20×=2人.
抽取的2人中女生人数X的所有可能为0,1,2.
P(X=0)==.
P(X=1)===.
P(X=2)==.
X
0
1
2
P
随机变量X的数学期望E(X)=0×+1×+2×=.
正态分布
►[命题点1] 正态分布的概率计算
1.(多选)(2024·新课标Ⅰ卷)随着“一带一路”国际合作的深入,某茶叶种植区多措并举推动茶叶出口.为了解推动出口后的亩收入(单位:万元)情况,从该种植区抽取样本,得到推动出口后亩收入的样本均值=2.1,样本方差s2=0.01,已知该种植区以往的亩收入X服从正态分布N,假设推动出口后的亩收入Y服从正态分布N,则(若随机变量Z服从正态分布N,P(Z<μ+σ)≈0.8413)( )
A.P(X>2)>0.2 B.P(X>2)<0.5
C.P(Y>2)>0.5 D.P(Y>2)<0.8
解析:BC [依题可知,=2.1,s2=0.01,
所以Y~N,
故P=P=P(Y<2.1+0.1)≈0.8413>0.5,C正确,D错误;
因为X~N,所以P=P.
因为P≈0.8413,所以P(X>1.8+0.1)≈1-0.8413=0.1587<0.2,
而P=P<P(X>1.8+0.1)<0.2,B正确,A错误.故选BC.]
2.(多选)(2025·全国模拟)赵先生早上9:00上班,上班通常乘坐公交加步行或乘坐地铁加步行.赵先生从家到公交站或地铁站都要步行5 min.公交车多且路程近一些,但乘坐公交路上经常拥堵,所需时间(单位:min)服从正态分布N(33,42),下车后从公交站步行到公司要12 min;乘坐地铁畅通,但路线长且乘客多,所需时间(单位:min)服从正态分布N(44,22),下地铁后从地铁站步行到公司要5 min.从统计的角度,下列说法中正确的是( )
参考数据:若Z~N(μ,σ2),则P(μ-σ<Z≤μ+σ)≈0.682 6,P(μ-2σ<Z≤μ+2σ)≈0.954 4,P(μ-3σ<Z≤μ+3σ)≈0.997 4.
A.若8:00出门,则乘坐公交上班不会迟到
B.若8:02出门,则乘坐地铁上班不迟到的可能性更大
C.若8:06出门,则乘坐公交上班不迟到的可能性更大
D.若8:12出门,则乘坐地铁上班几乎不可能不迟到
解析:CD [对于A,若8:00出门,赵先生乘坐公交的时间Z1不大于43 min才不会迟到,因为乘坐公交所需时间(单位:min)服从正态分布N(33,42),所以P(Z1≤43)<P(Z1≤45),且P(33-12<Z1≤33+12)≈0.997 4,
所以P(Z1≤43)<P(Z1≤45)≈0.5+0.5×0.997 4=0.998 7,
所以赵先生上班迟到还是有可能发生的,A不正确;
对于B,若8:02出门,若乘坐地铁,则乘坐时间Z2不大于48 min才不会迟到,因为乘坐地铁所需时间(单位:min)服从正态分布N(44,22),
所以P(44-4<Z2≤44+4)≈0.954 4,
所以P(Z2≤48)≈0.5+0.954 4×0.5=0.977 2,
所以赵先生乘坐地铁上班不迟到的可能性为0.977 2,
若8:02出门,若乘坐公交,则乘坐时间Z1不大于41 min才不会迟到,因为乘坐公交所需时间(单位:min)服从正态分布N(33,42),
所以P(33-8<Z1≤33+8)≈0.954 4,
所以P(Z1≤41)≈0.5+0.5×0.954 4=0.977 2,故二者的可能性一样,B不正确;
对于C,若8:06出门,若乘坐公交,则乘坐时间Z1不大于37 min才不会迟到,因为乘坐公交所需时间(单位:min)服从正态分布N(33,42),
所以P(33-4<Z1≤33+4)≈0.682 6,
所以P(Z1≤37)≈0.5+0.5×0.682 6=0.841 3,
若8:06出门,若乘坐地铁,则乘坐时间Z2不大于44 min才不会迟到,因为乘坐地铁所需时间(单位:min)服从正态分布N(44,22),
所以P(Z2≤44)=0.5<0.8413,C正确;
对于D,若8:12出门,赵先生乘坐地铁的时间Z2不大于38 min才不会迟到,因为乘坐地铁所需时间(单位:min)服从正态分布N(44,22),
所以P(44-6<Z2≤44+6)≈0.997 4,
所以P(Z2≤38)≈(1-0.997 4)×0.5=0.001 3,
所以乘坐地铁上班不迟到的可能性非常小,D正确.]
利用正态分布求概率的两个方法
(1)对称法:由于正态曲线是关于直线x=μ对称的,且概率的和为1,故关于直线x=μ对称的区间上概率相等.如:
①P(X<a)=1-P(X≥a);
②P(X<μ-a)=P(X>μ+a).
(2)“3σ”法:利用X落在区间(μ-σ,μ+σ],(μ-2σ,μ+2σ],(μ-3σ,μ+3σ]内的概率分别是0.682 6, 0.954 4,0.997 4求解.
►[命题点2] 正态分布的实际应用
[典例] (2025·全国模拟)为了切实维护居民合法权益,提高居民识骗防骗能力,守好居民的“钱袋子”,某社区开展“全民反诈在行动——反诈骗知识竞赛”活动,现从参加该活动的居民中随机抽取了100名,统计出他们竞赛成绩分布如下:
成绩(分)
[40,50)
[50,60)
[60,70)
[70,80)
[80,90)
[90,100]
人数
2
4
22
40
28
4
(1)求抽取的100名居民竞赛成绩的平均分和方差s2(同一组中数据用该组区间的中点值为代表);
(2)以频率估计概率,发现该社区参赛居民竞赛成绩X近似地服从正态分布N(μ,σ2),其中μ近似为样本成绩平均分,σ2近似为样本成绩方差s2,若μ-σ<X≤μ+2σ,参赛居民可获得“参赛纪念证书”;若X>μ+2σ,参赛居民可获得“反诈先锋证书”.
①若该社区有3 000名居民参加本次竞赛活动,试估计获得“参赛纪念证书”的居民人数(结果保留整数);
②试判断竞赛成绩为96分的居民能否获得“反诈先锋证书”.
附:若X~N(μ,σ2),则P(μ-σ<X≤μ+σ)≈0.682 6,P(μ-2σ<X≤μ+2σ)≈0.954 4,P(μ-3σ<X≤μ+3σ)≈0.997 4.
[解] (1)100名居民本次竞赛成绩平均分=45×+55×+65×+75×+85×+95×=75,100名居民本次竞赛成绩方差s2=(45-75)2×+(55-75)2×+(65-75)2×+(75-75)2×+(85-75)2×+(95-75)2×=100.
(2)①由于μ近似为样本成绩平均分,σ2近似为样本成绩方差s2,所以,μ=75,σ2=100,可知,σ==10,由于竞赛成绩X近似地服从正态分布N(μ,σ2),因此竞赛居民可获得“参赛纪念证书”的概率P(μ-σ<X≤μ+2σ)=P(μ-σ<X≤μ+σ)+P(μ-2σ<X≤μ+2σ)≈×0.682 6+×0.954 4=0.818 5,3 000×0.818 5=2 455.5≈2 456,估计获得“参赛纪念证书”的居民人数为2 456;②当X>μ+2σ时,即X>95时,参赛居民可获得“反诈先锋证书”,所以竞赛成绩为96分的居民能获得“反诈先锋证书”.
(1)利用3σ原则求概率问题时,要注意把给出的区间或范围与正态变量的μ,σ进行对比联系,确定它们属于(μ-σ,μ+σ),(μ-2σ,μ+2σ),(μ-3σ,μ+3σ)中的哪一个.
(2)利用正态分布密度曲线的对称性研究相关概率问题,涉及的知识主要是正态曲线关于直线x=μ对称,及曲线与x轴之间的面积为1.注意下面两个结论的活用:
①P(X<a)=1-P(X≥a);②P(X<μ-σ)=P(X≥μ+σ).
(2025·全国模拟)某车间生产一批零件,现从中随机抽取10个零件,测量其内径的数据如下(单位:cm):
87 87 88 92 95 97 98 99 103 104
设这10个数据的平均值为μ,标准差为σ.
(1)求μ与σ;
(2)假设这批零件的内径Z(单位:cm)服从正态分布N(μ,σ2).
①从这批零件中随机抽取10个,设这10个零件中内径大于107 cm的个数为X,求D(2X+1);(结果保留5位有效数字)
②若该车间又新购一台设备,安装调试后,试生产了5个零件,测量其内径分别为76,85,93,99,108(单位:cm),以原设备生产性能为标准,试问这台设备是否需要进一步调试,说明你的理由.
参考数据:若X~N(μ,σ2),则P(μ-2σ<X<μ+2σ)≈0.954 4,P(μ-3σ<X≤μ+3σ)≈0.997 4,取0.997 44=0.99.
解:(1)μ=×(87+87+88+92+95+97+98+99+103+104)=95,
σ2=×(64+64+49+9+0+4+9+16+64+81)=36,则σ=6.
(2)①∵Z服从正态分布N(95,36),
∴P(Z>107)=P(Z>μ+2σ)≈0.5-=0.022 8,则X~B(10,0.022 8),
∴DX=10×0.022 8×(1-0.022 8)
=0.222 8016,
∴D(2X+1)=4DX≈0.89 121.
②∵Z服从正态分布N(95,36),
∴P(77<Z≤113)=P(μ-3σ<Z≤μ+3σ)≈0.997 4,
∴5个零件的内径中恰有一个不在(μ-3σ,μ+3σ]内的概率为
C×0.997 44×(1-0.997 4)=0.012 57.
∵76∉(77,113],
∴试生产的5个零件的内径就出现了1个不在(μ-3σ,μ+3σ]内,出现的频率是0.012 57的15倍多,∴根据3σ原则,需要进一步调试.
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