6.3.2 离散型随机变量的方差-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义配套课件(北师大版)

2025-12-10
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摘要:

该高中数学课件聚焦离散型随机变量的方差,涵盖概念、性质及应用。通过灯泡寿命均值相同但稳定性不同的问题导入,衔接均值知识,以“偏离程度”为支架帮助学生理解方差的核心意义。 其亮点在于以实际问题(如工资选择、射击比赛)培养数学建模,通过“分布列→均值→方差”步骤化计算强化数学运算,结合分层评价巩固知识。学生能提升解决实际问题能力,教师可借助梯度设计提高教学效率。

内容正文:

3.2 离散型随机变量的方差   第六章 §3 离散型随机变量的均值与方差 学习目标 1.理解取有限个值的离散型随机变量的方差的概念,培养数 学抽象的核心素养.  2.能计算简单离散型随机变量的方差,并能解决一些实际问 题,培养数学运算、数学建模的核心素养. 任务一 离散型随机变量的方差 1 任务二 方差的函数性质 2 任务三 方差的实际应用 3 随堂评价 4 内容索引 课时分层评价 5 任务一 离散型随机变量的方差 返回 问题导思 问题.有两批灯泡,其平均寿命都是1 000 h,其中一批灯泡大部分的寿命集中在950 h~1 050 h;另一批灯泡一部分寿命很长,能达到1 500 h,另一部分寿命很短,只能达到500 h左右.如何判断灯泡质量的好坏呢? 提示:两个随机变量的均值相同,即“平均水平”相同,但此时其取值却存在较大的差异.为了判断灯泡质量的好坏,还需要进一步考察灯泡寿命X与其均值EX的偏离程度.若偏离程度小,则灯泡的寿命比较稳定;若偏离程度大,则灯泡寿命的稳定性比较差. 新知构建 1.方差:若离散型随机变量X的分布列如表: X x1 x2 … xi … xn P p1 p2 … pi … pn 则(xi-EX)2描述了xi(i=1,2,…,n)相对于均值EX的__________,而DX=E(X-EX)2=(xi-EX)2pi为这些偏离程度的加权平均,刻画了随机变量X与其均值EX的平均偏离程度,我们称DX为随机变量X的______. 2.标准差:DX的算术平方根为随机变量X的标准差,记作______. 偏离程度 方差 σX 微提醒 (1)一般地,随机变量的方差是非负常数.(2)DX越小,随机变量X越稳定,波动越小.(3)方差也可以用公式DX=EX2-(EX)2计算.(4)若X服从两点分布,则DX=p(1-p)(其中p为成功概率). (2025·江苏连云港期中)袋中有形状、大小完全相同的4个球,编号分别为1,2,3,4,从袋中取出2个球,以X表示取出的2个球中的最大号码. (1)写出X的分布列; 解:X的所有可能取值为2,3,4. P(X=2)==;P(X=3)==;P(X=4)==. 故X的分布列为 典例 1 X 2 3 4 P (2)求X的均值与方差. 解:EX=2×+3×+4×=; DX=×+×+×=. 故X的均值为;方差为. 规律方法 求离散型随机变量的方差的步骤 第一步:明确随机变量的取值,以及取每个值的试验结果; 第二步:求出随机变量取各个值的概率; 第三步:列出分布列; 第四步:利用公式EX=xipi求出随机变量的均值EX; 第五步:代入公式DX=(xi-EX)2pi,求出方差DX. 对点练1.(1)(2025·黑龙江哈尔滨高二期中)随机变量ξ的分布列如下表所 示,则Dξ=  . ξ 1 2 3 P 1-m 3m2-m- . 由题意可得+1-m+3m2-m-=1,故3m2-2m=0,解得m=或m=0(舍去),故随机变量ξ的分布列如下: 所以Eξ=+2×+3×=,Dξ=×+×+×=. ξ 1 2 3 P (2)同时抛掷三枚相同的均匀硬币,设随机变量X=1表示结果中有正面朝 上,X=0表示结果中没有正面朝上,则DX=  . . 由题意可知,P(X=0)=( )3=,P(X=1)=1-=,所以EX=0×+1×=,所以DX=×(0-)2+×(1-)2=. 返回 任务二 方差的函数性质 返回 已知随机变量X的分布列为 典例 2 X 0 1 x P p 若EX=, (1)求DX的值; 解:由题意可得, 所以DX=×+×+(2-)2×=. (2)若Y=3X-2,求的值. 解:因为Y=3X-2,则DY=9DX=5, 所以=. X 0 1 x P p 规律方法 方差函数性质应用的关注点 1.公式:D(aX+b)=a2DX(只要求记忆,会用即可). 2.优势:既避免了求随机变量Y=aX+b的分布列,又避免了涉及大数的计算,从而简化了计算过程. √ 对点练2.(1)已知随机变量X满足E(2X+3)=7,D(2X+3)=16,则下列选项正确的是 A.EX=,DX= B.EX=2,DX=4 C.EX=2,DX=8 D.EX=,DX=8 因为E(2X+3)=7,D(2X+3)=16,所以2EX+3=7,22DX=16,解得EX=2,DX=4.故选B. (2)已知随机变量的分布列为P(X=k)=,k=1,2,3,4,则D(2X-1)=  . 5 因为P(X=k)=,k=1,2,3,4,所以EX=×(1+2+3+4)=,DX=×[(1-)2+(2-)2+(3-)2+(4-)2]=,所以D(2X-1)=22DX=4×=5. 返回 任务三 方差的实际应用 返回 (链教材P208例6)甲、乙两名同学在一次答题比赛中答对题数的概率分布分别如下表所示. 典例 3 甲 答对题数X甲 0 1 2 3 概率 0.1 0.2 0.4 0.3 乙 答对题数X乙 0 1 2 3 概率 0.2 0.1 0.3 0.4 (1)求甲、乙两名同学答对题数的均值; 解:甲、乙两人答对题数的均值分别为 EX甲=0×0.1+1×0.2+2×0.4+3×0.3=1.9, EX乙=0×0.2+1×0.1+2×0.3+3×0.4=1.9. (2)试分析甲、乙两名同学谁的成绩好一些. 解:方差分别为DX甲=(0-1.9)2×0.1+(1-1.9)2×0.2+(2-1.9)2×0.4+(3-1.9)2×0.3=0.361+0.162+0.004+0.363=0.89, DX乙=(0-1.9)2×0.2+(1-1.9)2×0.1+(2-1.9)2×0.3+(3-1.9)2×0.4=0.722+0.081+0.003+0.484=1.29, 甲 答对题数X甲 0 1 2 3 概率 0.1 0.2 0.4 0.3 乙 答对题数X乙 0 1 2 3 概率 0.2 0.1 0.3 0.4 由上面的数据,可知EX甲=EX乙,DX甲<DX乙. 这表示甲、乙两人答对题数的均值相等,但两人答对题数的稳定程度 不同, 甲同学较稳定,乙同学波动较大,所以甲同学的成绩较好. 规律方法 均值、方差在决策中的作用 1.均值:均值反映了离散型随机变量取值的平均水平,均值越大,平均水平越高. 2.方差:方差反映了离散型随机变量取值的离散波动程度,方差越大越不稳定. 3.在决策中常结合实际情形依据均值、方差做出决断. 对点练3.有甲、乙两家单位都愿意聘用你做兼职员工,而你能获得如下 信息: 甲单位不同职位月工资X1/元 1 200 1 400 1 600 1 800 获得相应职位的概率P1 0.4 0.3 0.2 0.1 乙单位不同职位月工资X2/元 1 000 1 400 1 800 2 200 获得相应职位的概率P2 0.4 0.3 0.2 0.1 根据工资待遇的差异情况,你愿意选择哪家单位? 解:根据月工资的分布列,可得EX1=1 200×0.4+1 400×0.3+1 600×0.2+1 800×0.1=1 400, DX1=(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, EX2=1 000×0.4+1 400×0.3+1 800×0.2+2 200×0.1=1 400, DX2=(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. 因为EX1=EX2,DX1<DX2, 所以两家单位的工资的均值相等,但甲单位不同职位的工资相对集中,乙单位不同职位的工资相对分散. 因此,如果希望不同职位的工资差距小一些,可选择甲单位; 如果希望不同职位的工资差距大一些,可选择乙单位. 甲单位不同职位月工资X1/元 1 200 1 400 1 600 1 800 获得相应职位的概率P1 0.4 0.3 0.2 0.1 乙单位不同职位月工资X2/元 1 000 1 400 1 800 2 200 获得相应职位的概率P2 0.4 0.3 0.2 0.1 课堂小结 任务再现 1.离散型随机变量的方差.2.方差的应用.3.D(aX+b)=a2DX 方法提炼 公式法、数学建模 易错警示 方差公式的计算易出现错误,混淆均值与方差的含义 返回 随堂评价 返回 √ 1.已知随机变量Y=3X+2,且DY=18,则DX= A.2 B.4 C.6 D.8 因为随机变量Y=3X+2,DY=18,所以DY=D(3X+2)=32DX=18,得DX=2.故选A. √ 2.有甲、乙两种水稻,测得每种水稻各10株的分蘖数据,计算出样本均值相等,方差分别为DX甲=11,DX乙=3.4.由此可以估计 A.甲种水稻比乙种水稻分蘖整齐 B.乙种水稻比甲种水稻分蘖整齐 C.甲、乙两种水稻分蘖整齐程度相同 D.甲、乙两种水稻分蘖整齐程度不能比较 因为EX甲=EX乙,且DX甲>DX乙,所以乙种水稻比甲种水稻分蘖整齐.故选B. 3.(2025·河北张家口高二期中)一批产品中次品率为5%,随机抽取一件,定义X=则DX=   . . 由题意P(X=1)=,P(X=0)=,可得分布列为 故EX=1×+0×=,DX=×+×=. X 1 0 P 4.已知随机变量ξ的取值为1,2,3,若P(ξ=1)与P(ξ=3)相等,且方差Dξ =,则P(ξ=2)=  . . 设P(ξ=1)=P(ξ=3)=p,则P(ξ=2)=1-2p,Eξ=p+2(1-2p)+3p=2,Dξ=p(1-2)2+(1-2p)(2-2)2+p(3-2)2=2p=,故p=,所以P(ξ=2)=1-2p=. 返回 课时分层评价 返回 √ 1.已知随机变量X满足D(2-2X)=4,下列说法正确的是 A.DX=-1 B.DX=1 C.DX=2 D.DX=4 根据随机变量线性运算的方差结论,得到D(2-2X)=4DX=4,则DX=1.故选B. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ 2.随机变量X的分布列如下.若EX=1,则DX= A.0 B.2 C.3 D.4 X -2 1 2 P a b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由题意可知,所以DX=(-2-1)2×+(1-1)2×+(2-1)2×=2.故选B. X -2 1 2 P a b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ 3.投掷2枚均匀的骰子,记其中所得点数为1的骰子的个数为X,则方差 DX= A. B. C. D. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 X的分布列为 故EX==,DX=×+×+×=.故选A. X 0 1 2 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ 4.已知随机变量X的分布列为 则随机变量X的方差DX的最大值为 A. B. C.1 D.2 X 1 2 P a b 由题意可得0≤a≤1,0≤b≤1,a+b=1,EX=a+2b=1+b,则DX=[1-(1+b)]2×a+[2-(1+b)]2×b=-b2+b,当b=时,DX有最大值为.故选A. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ 5.甲乙两个盒子中分别装有大小、形状完全相同的三个小球,且均各自标号为1,2,3.分别从两个盒子中随机取一个球,用X表示两球上数字之积,X的方差为DX,则D= A. B. C. D. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由题意可得X的可能取值为1,2,3,4,6,9, 其分布列为 所以EX=+++++=4,DX=(1-4)2×+(2-4)2×+(3-4)2×+(4-4)2×+(6-4)2×+(9-4)2×=,所以D(2X-1)=22×=.故选C. X 1 2 3 4 6 9 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ √ √ 6.(多选题)设随机变量X的可能取值为1,2,…,n(n∈N+),并且取1,2,…,n是等可能的.若P(X≤3)=,则下列结论正确的是 A.n=9 B.P(X=1)=0.1 C.EX=5 D.DX= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由题意知,P(X=k)=,k=1,…,n,则P(X≤3)=P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)==,解得n=9,故A正确;因此P(X=1)=,故B错误;EX=×=5,故C正确;DX=×(k-EX)2=,故D正确.故选ACD. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 7.已知随机变量X的分布列为 则σ(5X+1)=    . X -2 -1 0 1 2 P 0.1 0.2 a 2a 0.4 . 由0.1+0.2+a+2a+0.4=1,得a=0.1,所以EX=-2×0.1+(-1)×0.2+0×0.1+1×0.2+2×0.4=0.6,DX=(-2-0.6)2×0.1+(-1-0.6)2×0.2+(0-0.6)2×0.1+(1-0.6)2×0.2+(2-0.6)2×0.4=2.04,D(5X+1)=25DX=51,所以σ(5X+1)==. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 8.盒中有4个球,其中1个红球,1个黄球,2个蓝球,从盒中随机取球,每次取1个,取后不放回,直到蓝球全部被取出为止,在这一过程中取球次 数为ξ,则ξ的方差Dξ=  . . 由题意可知,随机变量ξ的可能取值有2,3,4,P(ξ=2)==,P(ξ=3)==,P(ξ=4)==,所以随机变量ξ的分布列如下表所示: ξ 2 3 4 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 所以Eξ=2×+3×+4×=,因此Dξ=×+×+×=. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 9.(2025·辽宁辽阳期末)已知某人每次投篮的命中率为p(0<p<1),投进一球得1分,投不进得0分,记投篮一次的得分为X,则的最大值为     . 2-2 由题意可知,X服从两点分布,可得EX=p,0<p<1,DX=(1-p)p,则==2-2p-=2-≤2-2=2-2,当且仅当2p=,即p=时,等号成立,故的最大值为2-2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 10.(13分)甲、乙两名射手在一次射击中得分为两个相互独立的随机变量ξ,η,已知甲、乙两名射手在每次射击中射中的环数分别为7,8,9,10,且甲射中10,9,8,7环的概率分别为2a,0.2,a,0.2,乙射中10,9,8,7环的概率分别为0.3,0.3,b,b. (1)求ξ,η的分布列; 解:由题意可得2a+0.2+a+0.2=1, 解得a=0.2; 0.3+0.3+2b=1,解得b=0.2; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 所以ξ的分布列为 η的分布列为 ξ 10 9 8 7 P 0.4 0.2 0.2 0.2 η 10 9 8 7 P 0.3 0.3 0.2 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 (2)请根据射击环数的均值及方差来分析甲、乙的射击技术. 解:由(1)得Eξ=10×0.4+9×0.2+8×0.2+7×0.2=8.8, Dξ=(10-8.8)2×0.4+(9-8.8)2×0.2+(8-8.8)2×0.2+(7-8.8)2×0.2=1.36; Eη=10×0.3+9×0.3+8×0.2+7×0.2=8.7, Dη=(10-8.7)2×0.3+(9-8.7)2×0.3+(8-8.7)2×0.2+(7-8.7)2×0.2=1.21. 由于Eξ>Eη,Dξ>Dη,说明甲射击的环数的均值比乙高,但成绩没有乙稳定. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ 11.已知随机变量X的分布列如下: 则EX=是DX=的 A.充分不必要条件 B.必要不充分条件 C.充要条件 D.既不充分也不必要条件 X 1 2 P a b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由题意可知a+b=1,若EX=,则a+2b=,得a=,b=,DX=×+(2-)2×=,故充分性满足;若DX=,则a+b=ab2+b=-b2+b=,解得b=或b=.当b=时,a=,此时EX=1×+2×=,当b=时,a=,此时EX=1×+2×=,则EX=或EX=,故必要性不满足.故选A. X 1 2 P a b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 √ √ 12.(多选题)某人欲投资10万元,有两种方案可供选择.设X表示方案一所得收益(单位:万元),Y表示方案二所得收益(单位:万元).其分布列分别为 假定同期银行利率为1.75%,下面分析合理的是 A.投资方案一一定比存入银行收益大 B.投资方案二可能比存入银行收益小 C.如果想稳赚又不想冒风险就选择方案一 D.如果想多赚又不怕风险就选择方案二 X -2 8 P 0.7 0.3 Y -3 12 P 0.7 0.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由均值和方差的计算公式,得EX=-2×0.7+8×0.3=1(万元),EY=-3×0.7+12×0.3=1.5(万元),DX=(-2-1)2×0.7+(8-1)2×0.3=21,DY=(-3-1.5)2×0.7+(12-1.5)2×0.3=47.25.由于同期银行利率为1.75%,所以若将10万元存入银行,可得利息(无风险收益)10×1.75%=0.175(万元).从均值收益的角度来看,两种投资方案都可以带来额外的收益,但都要冒一定的风险,均有可能赔钱,故A错误,B正确; X -2 8 P 0.7 0.3 Y -3 12 P 0.7 0.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 方案一的期望收益小于方案二,但方案一的风险也小于方案二.所以如果想稳赚而不冒任何风险,就选择存入银行,故C错误;如果想多赚又不想风险太大就选择方案一;如果想多赚又不怕风险就选择方案二,故D正确.故选BD. X -2 8 P 0.7 0.3 Y -3 12 P 0.7 0.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 13.(双空题)根据以往的经验,某工程施工期间的降水量X(单位:mm)对工期的影响如下表所示. 若历史气象资料表明,该工程施工期间降水量X小于300,700,900的概率分别为0.3,0.7,0.9,则工期延误天数Y的均值是  ,工期延误天数Y的方差为   . 降水量X X<300 300≤X<700 700≤X<900 X≥900 工期延误天数Y 0 2 6 10 3 9.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由已知条件和概率的加法公式知,P(X<300)=0.3,P(300≤X<700)=P(X<700)-P(X<300)=0.7-0.3=0.4,P(700≤X<900)=P(X<900)-P(X<700)=0.9-0.7=0.2,P(X≥900)=1-P(X<900)=1-0.9=0.1. 所以随机变量Y的分布列为 故EY=0×0.3+2×0.4+6×0.2+10×0.1=3;DY=(0-3)2×0.3+(2-3)2×0.4+(6-3)2×0.2+(10-3)2×0.1=9.8,故工期延误天数Y的方差为9.8. Y 0 2 6 10 P 0.3 0.4 0.2 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 14.(15分)某滑雪场的收费标准是:滑雪时间不超过1 h免费,超过1 h的部分每小时收费标准为40元(不足1 h的部分按1 h计算).有甲、乙两人相互独立地来该滑雪场运动,设甲、乙不超过1 h离开的概率分别为,;1 h以上且不超过2 h离开的概率分别为,;两人滑雪时间都不会超过3 h.设甲、乙两人所付的滑雪费用之和为随机变量X,求X的分布列与均值EX,方差DX. 解:甲、乙两人2 h以上且不超过3 h离开的概率分别为1--=,1--=. X的所有可能取值为0,40,80,120,160, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 则P(X=0)=×=, P=×+×=, P=×+×+×=, P=×+×=, P=×=. 所以X的分布列为 X 0 40 80 120 160 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 EX=0×+40×+80×+120×+160×=80, DX=×+×+(80-80)2×+×+×=. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 15.(5分)(创新题)已知随机变量ξ的分布列为 则下列说法不正确的是 A.∀a,b∈(0,1),Eξ≤ B.∀a,b∈(0,1),Dξ=Eξ2-(Eξ)2 C.∃a,b∈(0,1),Dξ> D.∃a,b∈(0,1),Dξ>Eξ ξ a b P b a √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 由题意a+b=1,a,b∈(0,1),对于A,Eξ=ab+ba=2ab≤2=,当且仅当a=b=时取等号,故A正确;对于B,一方面Dξ=·b+·a=ab-4(ab)2,另一方面Eξ2=a2b+b2a=ab=ab,所以Eξ2-(Eξ)2=ab-=Dξ,故B正确;对于C,Dξ=ab-4(ab)2=-4+≤,故C错误;对于D,由Dξ-Eξ=ab-4(ab)2-ab=ab-4(ab)2>0得0<ab<,满足条件的a,b存在,故D正确.故选C. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16.(17分)(2025·江苏扬州高二期中)元旦晚会上,某班设计了一个摸球表演节目的游戏:在一个纸盒中装有1个红球,1个黄球,1个白球和1个黑球,这些球除颜色外完全相同,参与游戏的某位同学不放回地每次摸出1个球,若摸到黑球则停止摸球,否则就要将纸盒中的球全部摸出才停止.规定摸到红球表演两个节目,摸到白球或黄球表演1个节目,摸到黑球则不用表演节目. (1)求该同学摸球三次后停止摸球的概率; 解:设“该同学摸球三次后停止摸球”为事件E,则P(E)==, 所以该同学摸球三次后停止摸球的概率为. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 (2)记X为该同学摸球后表演节目的个数,求随机变量X的分布列和均值、方差. 解:由题意知,X的可能取值为0,1,2,3,4. P(X=0)=,P(X=1)==,P(X=2)=+=,P(X=3)==,P(X=4)==. 所以随机变量X的分布列为 X 0 1 2 3 4 P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 所以EX=0×+1×+2×+3×+4×=2, DX=×+×+×+×+×=. 返回 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 谢 谢 观 看 3.2 离散型随机变量的方差 返回 $

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6.3.2 离散型随机变量的方差-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义配套课件(北师大版)
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