内容正文:
7.4 二项分布与超几何分布7.4.2 超几何分布
第七章 随机变量及其应用
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第七章 随机变量及其分布
数学 选择性必修 第三册
课前 预习学案
01
课堂 互动学案
02
课后 素养提升
03
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课时作业
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第七章 随机变量及其分布
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课程标准
素养解读
1.理解超几何分布的概念
2.理解超几何分布与二项分布的关系
3.会用超几何分布解决一些简单的实际问题
1.通过学习超几何分布,体会数学抽象的素养
2.借助超几何分布解题,提高数学运算素养
[情境引入]
高三(1)班的联欢会上设计了一项游戏;准备了10张相同的卡片,其中只有5张卡片上印有“奖”字,游戏者从10张卡片中任意抽取5张,如果抽到2张或2张以上印有“奖”字的卡片,就可获得一个小礼品,如果抽到的5张卡片上都印有“奖”字,除小礼品外,还可获赠一套丛书,一名同学准备试一试,
能获得小礼品的概率是多少?能获赠一套丛书的概率又是多少?
[知识梳理]
[知识点] 超几何分布
1.定义:一般地,假设一批产品共有N件,其中有M件次品.从N件产品中随机抽取n件(不放回),用X表示抽取的n件产品的次品数,则X的分布列为P(X=k)=eq \f(C\o\al(k,M)C\o\al(n-k,N-M),C\o\al(n,N)),k=m,m+1,m+2,…,r,
其中n,N,M∈N*,M≤N,n≤N,
m=max{0,n-N+M},r=min {n,M}.如果随机变量X的分布列具有上式的形式,那么称随机变量X服从超几何分布.
2.记法:X~H(N,n,M).
3.分布列:如果X~H(N,n,M)且n+M-N≤0,则X能取所有不大于s的自然数,此时X的分布列如下表所示.
X
0
1
…
K
…
s
P
eq \f(C\o\al(0,M)C\o\al(n,N-M),C\o\al(n,N))
eq \f(C\o\al(1,M)C\o\al(n-1,N-M),C\o\al(n,N))
…
eq \f(C\o\al(k,M)C\o\al(n-k,N-M),C\o\al(n,N))
…
eq \f(C\o\al(s,M)C\o\al(n-s,N-M),C\o\al(n,N))
4.均值:E(X)=np,其中p=eq \f(M,N)是N件产品的次品率.
1.不放回抽取和有放回抽取有何不同?
提示:抽取次数不同,不放回抽取只抽取一次,一次抽取n个,有放回抽取要抽取n次,每次抽取一个;概率模型不同,不放回抽取服从超几何分布,有放回抽取服从二项分布.
2.怎样理解r是M与n中的较小者?
提示:在超几何分布中,确定X的可能取值的关键是确定它的最小值和最大值,具体如下:
注意:在超几何分布中,随机变量X的最大值r未必是次品件数M,当抽取的产品的件数n不大于总体中次品的件数M(即n≤M)时,r=n;当抽取的产品的件数n大于总体中次品的件数M(即n>M)时,r=M.故X的最大值r是M与n中的较小者.同理,可推测m的取值规律.
3.利用超几何分布公式计算概率时有什么规律?
提示:因为公式中都是组合数,用组合数公式展开后,要先约分再进行运算,这样可以简化运算的过程.
[预习自测]
1.判断正误(对的打“√”,错的打“×”).
(1)将一枚硬币连抛3次,正面向上的次数X服从超几何分布.( )
(2)盒中有4个白球和3个黑球,有放回地摸取3个球,黑球的个数X服从超几何分布.( )
(3)某射手的命中率为0.8,现对目标射击3次,命中目标的次数X服从超几何分布.( )
提示:(1)× 正面向上的次数X服从二项分布.
(2)× 由超几何分布的定义,黑球的个数X不服从超几何分布.
(3)× 命中目标的次数X服从二项分布.
2.2024年5月中国邮政发行了《巢湖》特种邮票3枚,巢湖是继《太湖》(5枚)、《鄱阳湖》(3枚)、《洞庭湖》(4枚)后,第四个登上特种邮票的五大淡水湖.现从15枚邮票中随机抽取2枚,记抽取邮票《巢湖》的枚数为X,则E(X)=( )
A.eq \f(2,5) B.eq \f(2,3) C.1 D.eq \f(3,2)
解析:A [依题意,X的可能取值有0,1,2,则P(X=0)=eq \f(C\o\al(2,12),C\o\al(2,15))=eq \f(22,35),P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,12)C\o\al(1,3),C\o\al(2,15))=eq \f(12,35),P(X=2)=eq \f(C\o\al(2,3),C\o\al(2,15))=eq \f(1,35),
则E(X)=0×eq \f(22,35)+1×eq \f(12,35)+2×eq \f(1,35)=eq \f(2,5).]
3.设袋中有80个红球,20个白球,若从袋中任取10个球,则其中恰有6个红球的概率为( )
A.eq \f(C\o\al(4,80)C\o\al(6,10),C\o\al(10,100))
B.eq \f(C\o\al(6,80)C\o\al(4,10),C\o\al(10,100))
C.eq \f(C\o\al(4,80)C\o\al(6,20),C\o\al(10,100))
D.eq \f(C\o\al(6,80)C\o\al(4,20),C\o\al(10,100))
解析:D [若随机变量X表示任取10个球中红球的个数,则X服从参数为N=100,M=80,n=10的超几何分布.取到10个球中恰有6个红球,即X=6,P(X=6)=eq \f(C\o\al(6,80)C\o\al(4,20),C\o\al(10,100))(注意袋中球的个数为80+20=100).]
超几何分布的辨析
[例1] 下列问题中,哪些属于超几何分布问题,说明理由.
(1)抛掷三枚骰子,所得向上的数是6的骰子的个数记为X,求X的概率分布;
(2)有一批种子的发芽率为70%,任取10颗种子做发芽试验,把试验中发芽的种子的个数记为X,求X的概率分布;
(3)盒子中有红球3只,黄球4只,蓝球5只.任取3只球,把不是红色的球的个数记为X,求X的概率分布;
(4)某班级有男生25人,女生20人.选派4名学生参加学校组织的活动,其中女生人数记为X,求X的概率分布;
(5)现有100台MP3播放器未经检测,抽取10台送检,把检验结果为不合格的MP3播放器的个数记为X,求X的概率分布.
[思路点拨] 根据超几何分布的定义判断.
解:(1)(2)中样本没有分类,不是超几何分布问题,是重复试验问题.
(3)(4)符合超几何分布的特征,样本都分为两类.随机变量X表示抽取n件样本中某类样本被抽取的件数,是超几何分布.
(5)中没有给出不合格产品数,无法计算X的概率公布,所以不属于超几何分布问题.
判断一个随机变量是否服从超几何分布,应看三点:
1.总体是否可分为两类明确的对象;
2.是否为不放回抽样;
3.随机变量是否为样本中其中一类个体的个数.
[变式训练]
1.一个袋中有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,则X是否服从超几何分布?
解:不服从超几何分布.
因为随机变量X是否服从超几何分布,关键是看随机变量X的分布列是否由P(X=k)=eq \f(C\o\al(k,M)C\o\al(n-k,N-M),C\o\al(n,N))确定,对应的N,M,n是多少.
本题随机变量X的可能取值为3,4,5,6.
不妨探讨“X=4”与“X=5”两种情况:
“X=4”对应事件“取出的3个球中恰好取到4号球和1,2,3号球中的2个”,其概率P(X=4)=eq \f(C\o\al(1,1)C\o\al(2,3),C\o\al(3,6));“X=5”对应事件“取出的3个球中恰好取到5号球和1,2,3,4号球中的2个”,其概率P(X=5)=eq \f(C\o\al(1,1)C\o\al(2,4),C\o\al(3,6)).显然仅从“X=4”与“X=5”两种情况就可看出随机变量X的分布不是由P(X=k)=eq \f(C\o\al(k,M)C\o\al(n-k,N-M),C\o\al(n,N))确定的,所以随机变量X不服从超几何分布.
超几何分布的概率及其分布列
[例2] 袋中有4个红球,3个黑球,这些球除颜色外完全相同,从袋中随机抽取球,设取到一个红球得2分,取到一个黑球得1分,从袋中任取4个球.
(1)求得分X的分布列;
(2)求得分大于6分的概率.
[思路点拨]
eq \x(\a\al(写出X的,可能值))→eq \x(\a\al(求出每个X,对应的概率))→eq \x(\a\al(写出分,布列))
解:(1)从袋中任取4个球的情况为:1红3黑,2红2黑,3红1黑,4红,共四种情况,得分分别为5分,6分,7分,8分,故X的可能取值为5,6,7,8.
P(X=5)=eq \f(C\o\al(1,4)C\o\al(3,3),C\o\al(4,7))=eq \f(4,35),P(X=6)=eq \f(C\o\al(2,4)C\o\al(2,3),C\o\al(4,7))=eq \f(18,35),
P(X=7)=eq \f(C\o\al(3,4)C\o\al(1,3),C\o\al(4,7))=eq \f(12,35),P(X=8)=eq \f(C\o\al(4,4),C\o\al(4,7))=eq \f(1,35).
故所求分布列为
(2)根据随机变量的分布列可以得到大于6分的概率为
P(X>6)=P(X=7)+P(X=8)=eq \f(12,35)+eq \f(1,35)=eq \f(13,35).
X
5
6
7
8
P
eq \f(4,35)
eq \f(18,35)
eq \f(12,35)
eq \f(1,35)
求超几何分布的分布列的步骤
[变式训练]
2.10件工艺品中,有3件二等品,7件一等品,现从中抽取5件,求抽得二等品件数X的分布列.
解:X的可能取值为0,1,2,3.
由题意知X服从超几何分布,
所以P(X=0)=eq \f(C\o\al(0,3)C\o\al(5,7),C\o\al(5,10))=eq \f(21,252)=eq \f(1,12),
P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,3)C\o\al(4,7),C\o\al(5,10))=eq \f(105,252)=eq \f(5,12),
P(X=2)=eq \f(C\o\al(2,3)C\o\al(3,7),C\o\al(5,10))=eq \f(105,252)=eq \f(5,12),
P(X=3)=eq \f(C\o\al(3,3)C\o\al(2,7),C\o\al(5,10))=eq \f(21,252)=eq \f(1,12).
所以X的分布列为
X
0
1
2
3
P
eq \f(1,12)
eq \f(5,12)
eq \f(5,12)
eq \f(1,12)
超几何分布的均值
[例3] 在5件产品中含有2件次品,从这5件产品中选出3件所含的次品数设为X,则X的均值为 ________ .
[思路点拨]
明确N,M,n的值各是什么,代入均值公式计算.
解析:法一:X可能取的值是0,1,2.
P(X=0)=eq \f(C\o\al(0,2)C\o\al(3,3),C\o\al(3,5))=eq \f(1,10),P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,2)C\o\al(2,3),C\o\al(3,5))=eq \f(6,10),
P(X=2)=eq \f(C\o\al(2,2)C\o\al(1,3),C\o\al(3,5))=eq \f(3,10).所以X的分布列为
X
0
1
2
P
eq \f(1,10)
eq \f(6,10)
eq \f(3,10)
所以E(X)=0×eq \f(1,10)+1×eq \f(6,10)+2×eq \f(3,10)=eq \f(6,5).
法二:由题意,N=5,M=2,n=3,故E(X)=eq \f(nM,N)=eq \f(2×3,5)=eq \f(6,5).
答案:eq \f(6,5)
关于超几何分布的均值求法
首先明确随机变量是否服从超几何分布,把握等可能、不放回两个特点;其次是明确公式中的参数,即N,M,n的值各是什么;最后代入公式计算均值.
[变式训练]
3.设10件产品中有3件次品,从中抽取2件进行检查,则查得次品的均值为 ________ .
解析:设查得次品数为X,由题意知X服从超几何分布且N=10,M=3,n=2,∴E(X)=n·eq \f(M,N)=2×eq \f(3,10)=eq \f(3,5).
答案:eq \f(3,5)
超几何分布与二项分布间的联系
[例4] 某食品厂为了检查一条自动包装流水线的生产情况,随机抽取该流水线上的40件产品作为样本称出它们的质量(单位:克),质量的分组区间为(490,495],(495,500],…,(510,515].由此得到样本的频率分布直方图如图.
(1)根据频率分布直方图,求质量超过505克的产品数量;
(2)在上述抽取的40件产品中任取2件,设X为质量超过505克的产品数量,求X的分布列;
(3)从该流水线上任取2件产品,设Y为质量超过505克的产品数量,求Y的分布列.
[思路点拨] (1)结合频率分布直方图求解;
(2)结合超几何分布及古典概型求X的分布列;
(3)先分析Y服从什么分布,再选择相应公式求解.
解:(1)质量超过505克的产品的频率为5×0.05+5×0.01=0.3,
所以质量超过505克的产品数量为40×0.3=12(件).
(2)重量超过505克的产品数量为12件,则重量未超过505克的产品数量为28件,且X~H(40,2,12),
∴P(X=0)=eq \f(C\o\al(2,28),C\o\al(2,40))=eq \f(63,130),P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,12)C\o\al(1,28),C\o\al(2,40))=eq \f(28,65),
∴P(X=0)=eq \f(C\o\al(2,28),C\o\al(2,40))=eq \f(63,130),P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,12)C\o\al(1,28),C\o\al(2,40))=eq \f(28,65),
P(X=2)=eq \f(C\o\al(2,12),C\o\al(2,40))=eq \f(11,130),∴X的分布列为
X
0
1
2
P
eq \f(63,130)
eq \f(28,65)
eq \f(11,130)
(3)根据样本估计总体的思想,取一件产品,该产品的质量超过505克的概率为eq \f(12,40)=eq \f(3,10).
从流水线上任取2件产品互不影响,该问题可看成2次独立重复试验,质量超过505克的件数Y的可能取值为0,1,2,且Y~Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(3,10))),
P(Y=k)=Ceq \o\al(k,2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(3,10)))2-keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,10)))k,所以P(Y=0)=Ceq \o\al(0,2)·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(7,10)))2=eq \f(49,100),
P(Y=1)=Ceq \o\al(1,2)·eq \f(3,10)·eq \f(7,10)=eq \f(21,50),P(Y=2)=Ceq \o\al(2,2)·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,10)))2=eq \f(9,100).
∴Y的分布列为
Y
0
1
2
P
eq \f(49,100)
eq \f(21,50)
eq \f(9,100)
在n次试验中,某事件A发生的次数X可能服从超几何分布或二项分布.
区别
(1)当这n次试验是独立重复试验时(如有放回摸球),X服从二项分布;
(2)当这n次试验不是独立重复试验时(如不放回摸球),X服从超几何分布
联系
在不放回的n次试验中,如果总体数量N很大,而试验次数n很小,此时超几何分布可近似转化成二项分布,如本题(2)
在n次试验中,某事件A发生的次数X可能服从超几何分布或二项分布.
区别
(1)当这n次试验是独立重复试验时(如有放回摸球),X服从二项分布;
(2)当这n次试验不是独立重复试验时(如不放回摸球),X服从超几何分布
联系
在不放回的n次试验中,如果总体数量N很大,而试验次数n很小,此时超几何分布可近似转化成二项分布,如本题(2)
[变式训练]
4.树立和践行“绿水青山就是金山银山,坚持人与自然和谐共生”的理念越来越深入人心,现已形成了全民自觉参与,造福百姓的良性循环.据此,某网站开展了关于生态文明建设进展情况的调查,调查数据表明,环境治理和保护问题仍是百姓最为关心的热点,参与调查者中关注此问题的约占80%.现从参与关注生态文明建设的调查者中随机选出200人,并将这200人按年龄分组:第1组[15,25),第2组[25,35),第3组[35,45),第4组[45,55),第5组[55,65).由调查数据得到的频率分布直方图如图所示.
(1)求这200人年龄的平均数(同一组数据用该组区间的中点值作代表)和中位数(精确到小数点后一位);
(2)现在要从年龄较小的第1,2组中用分层抽样的方法抽取5人,再从这5人中随机抽取3人进行问卷调查,求第2组恰好抽取2人的概率;
(3)若从所有参与调查的人(人数很多)中任意选出3人,设其中关注环境治理和保护问题的人数为X,求X的分布列.
解:(1)由10×(0.010+0.015+a+0.030+0.010)=1,得a=0.035,平均数为20×0.1+30×0.15+40×0.35+50×0.3+60×0.1=41.5.
设中位数为x,则10×0.010+10×0.015+(x-35)×0.035=0.5,∴x≈42.1.
(2)由题意知,从第1,2组抽取的人数分别为2,3.
设第2组中恰好抽取2人的事件为A,则P(A)=eq \f(C\o\al(1,2)C\o\al(2,3),C\o\al(3,5))=eq \f(3,5).
(3)从所有参与调查的人中任意选出1人,此人关注环境治理和保护问题的概率为eq \f(4,5).易知X的所有可能取值为0,1,2,3,
∴P(X=0)=Ceq \o\al(0,3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(4,5)))3=eq \f(1,125),P(X=1)=Ceq \o\al(1,3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,5)))1eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(4,5)))2=eq \f(12,125),
P(X=2)=Ceq \o\al(2,3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,5)))2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(4,5)))1=eq \f(48,125),P(X=3)=Ceq \o\al(3,3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,5)))3=eq \f(64,125),
∴X的分布列为
X
0
1
2
3
P
eq \f(1,125)
eq \f(12,125)
eq \f(48,125)
eq \f(64,125)
[当堂达标]
1.从一副不含大、小王的52张扑克牌中任意抽出5张,则至少有3张A的概率为( )
A.eq \f(C\o\al(3,4)C\o\al(2,48),C\o\al(5,52))
B.eq \f(C\o\al(3,48)C\o\al(2,4),C\o\al(5,52))
C.1-eq \f(C\o\al(1,48)C\o\al(4,4),C\o\al(5,52))
D.eq \f(C\o\al(3,4)C\o\al(2,48)+C\o\al(4,4)C\o\al(1,48),C\o\al(5,52))
解析:D [设X为抽出的5张扑克牌中含A的张数.则P(X≥3)=P(X=3)+P(X=4)=eq \f(C\o\al(3,4)C\o\al(2,48),C\o\al(5,52))+eq \f(C\o\al(4,4)C\o\al(1,48),C\o\al(5,52)).]
2.盒子里共有7个除了颜色外完全相同的球,其中有4个红球3个白球,从盒子中任取3个球,则恰好取到2个红球1个白球的概率为( )
A.eq \f(24,35)
B.eq \f(18,35) C.eq \f(12,35)
D. eq \f(6,35)
解析:B [由题意得所求概率为P=eq \f(C\o\al(2,4)·C\o\al(1,3),C\o\al(3,7))=eq \f(6×3,35)=eq \f(18,35).]
3.若在甲袋内装有8个白球,4个红球,在乙袋内装有6个白球,6个红球,今从两袋内各任意取出1个球,设取出的白球个数为X,则P(X=1)= ________ .
解析:P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,8)C\o\al(1,6)+C\o\al(1,4)C\o\al(1,6),C\o\al(1,12)C\o\al(1,12))=eq \f(1,2).
答案:eq \f(1,2)
4.某手机经销商从已购买某品牌手机的市民中抽取20人参加宣传活动,这20人中年龄低于30岁的有5人.现从这20人中随机选取2人各赠送一部手机,记X为选取的年龄低于30岁的人数,则P(X=1)= ________ .
解析:易知P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,5)C\o\al(1,15),C\o\al(2,20))=eq \f(15,38).
答案:eq \f(15,38)
5.在一次英语口语考试中,有备选的10道试题,已知某考生能答对其中的8道试题,规定每次考试都从备选题中任选3道试题进行测试,至少答对2道试题才算及格,求该考生答对试题数X的分布列,并求该考生及格的概率.
解:因为X=1,2,3,P(X=1)=eq \f(C\o\al(1,8)C\o\al(2,2),C\o\al(3,10))=eq \f(1,15);
P(X=2)=eq \f(C\o\al(2,8)C\o\al(1,2),C\o\al(3,10))=eq \f(7,15);P(X=3)=eq \f(C\o\al(3,8)C\o\al(0,2),C\o\al(3,10))=eq \f(7,15).
所以X的分布列为
X
1
2
3
P
eq \f(1,15)
eq \f(7,15)
eq \f(7,15)
该考生及格的概率为
P(X≥2)=P(X=2)+P(X=3)=eq \f(7,15)+eq \f(7,15)=eq \f(14,15).
$