2013届高考一轮复习 离散型随机变量的均值、方差、正态分布

离散型随机变量的均值与方差、正态分布一、基础知识1.均值一般地，若离散型随机变量X的分布列为：则称E(X)＝x1p1＋x2p2i i n n.它反映了离散型随机变量取值的平均水平.(1)期望是算术平均值概念的推广，是概率意义下的平均.,(2)E(X)是一个实数，由X的分布列唯一确定，即作为随机变量，X是可变的，可取不同值，而E(X)是不变的，它描述X取值的平均状态.,(3)E(X)＝x1p1＋x2p2＋…＋x n p n直接给出了E(X)的求法，即随机变量取值与相应概率分别相乘后相加.2.方差设离散型随机变量X的分布列为：则(x i－E(X))2描述了x i(i＝)＝(x i－E(X))2p i为这些偏离程度的加权平均，刻画了随机变量X与其均值E(X)的平均偏离程度.称D(X)为随机变量X的方差，并称其算术平方根D(X)为随机变量X的标准差.(1)随机变量的方差与标准差都反映了随机变量取值的稳定与波动、集中与离散的程度.D(X)越大，表明平均偏离程度越大，X的取值越分散.反之，D(X)越小，X的取值越集中在E(X)附近.,(2)方差也是一个常数，它不具有随机性，方差的值一定是非负.3.两个特殊分布的期望与方差4.正态分布(1)正态曲线的特点①曲线位于x轴上方，与x轴不相交；②曲线是单峰的，它关于直线x＝μ对称；③曲线在x＝μ处达到峰值1σ2π；④曲线与x轴之间的面积为1；⑤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；⑥当μ一定时，曲线的形状由σ确定，σ越小，曲线越“瘦高”，表示总体的分布越集中；σ越大，曲线越“矮胖”，表示总体的分布越分散.(2)正态分布的三个常用数据①P (μ－σ＜X ≤μ＋σ)≈0.682 6；②P (μ－2σ＜X ≤μ＋2σ)≈0.954 4；③P (μ－3σ＜X ≤μ＋3σ)≈0.997 4.二、常用结论若Y ＝aX ＋b ，其中a ，b 是常数，X 是随机变量，则 (1)E (k )＝k ，D (k )＝0，其中k 为常数； (2)E (aX ＋b )＝aE (X )＋b ，D (aX ＋b )＝a 2D (X )； (3)E (X 1＋X 2)＝E (X 1)＋E (X 2)； (4)D (X )＝E (X 2)－(E (X ))2；(5)若X 1，X 2相互独立，则E (X 1·X 2)＝E (X 1)·E (X 2).(6)若X ～N (μ，σ2)，则X 的均值与方差分别为：E (X )＝μ，D (X )＝σ2. 三、考点解析考点一 离散型随机变量的均值与方差例、为迎接2022年北京冬奥会，推广滑雪运动，某滑雪场开展滑雪促销活动.该滑雪场的收费标准是：滑雪时间不超过1小时免费，超过1小时的部分每小时收费标准为40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滑雪场运动，设甲、乙不超过1小时离开的概率分别为14，16；1小时以上且不超过2小时离开的概率分别为12，23；两人滑雪时间都不会超过3小时.(1)求甲、乙两人所付滑雪费用相同的概率；(2)设甲、乙两人所付的滑雪费用之和为随机变量ξ(单位：元)，求ξ的分布列与数学期望E (ξ)，方差D (ξ).跟踪训练1.随机变量X 的可能取值为0,1,2，若P (X ＝0)＝15，E (X )＝1，则D (X )＝( )A.15B.25C.55D.1052.随着网络营销和电子商务的兴起，人们的购物方式更具多样化.某调查机构随机抽取10名购物者进行采访，5名男性购物者中有3名倾向于选择网购，2名倾向于选择实体店，5名女性购物者中有2名倾向于选择网购，3名倾向于选择实体店.(1)若从10名购物者中随机抽取2名，其中男、女各一名，求至少1名倾向于选择实体店的概率； (2)若从这10名购物者中随机抽取3名，设X 表示抽到倾向于选择网购的男性购物者的人数，求X 的分布列和数学期望.考点二 二项分布的均值与方差例、某部门为了解一企业在生产过程中的用水量情况，对其每天的用水量做了记录，得到了大量该企业的日用水量的统计数据，从这些统计数据中随机抽取12天的数据作为样本，得到如图所示的茎叶图(单位：吨).若用水量不低于95吨，则称这一天的用水量超标.(1)从这12天的数据中随机抽取3个，求至多有1天的用水量超标的概率；(2)以这12天的样本数据中用水量超标的频率作为概率，估计该企业未来3天中用水量超标的天数，记随机变量X 为未来这3天中用水量超标的天数，求X 的分布列、数学期望和方差.[解题技法]二项分布的期望与方差(1)如果ξ ～B (n ，p )，则用公式E (ξ)＝np ，D (ξ)＝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 (a ξ＋b )＝aE (ξ)＋b 以及E (ξ)＝np 求出E (a ξ＋b )，同样还可求出D (a ξ＋b ).跟踪训练1.设X 为随机变量，且X ～B (n ，p )，若随机变量X 的数学期望E (X )＝4，D (X )＝43，则P (X ＝2)＝________.(结果用分数表示)2.一个盒子中装有大量形状、大小一样但重量不尽相同的小球，从中随机抽取50个作为样本，称出它们的重量(单位：克)，重量分组区间为[5,15]，(15,25]，(25,35]，(35,45]，由此得到样本的重量频率分布直方图(如图).(1)求a 的值，并根据样本数据，试估计盒子中小球重量的众数与平均值；(2)从盒子中随机抽取3个小球，其中重量在[5,15]内的小球个数为X ，求X 的分布列和数学期望(以直方图中的频率作为概率).考点三 均值与方差在决策中的应用例、某工厂的某种产品成箱包装，每箱200件，每一箱产品在交付用户之前要对产品作检验，如检验出不合格品，则更换为合格品.检验时，先从这箱产品中任取20件作检验，再根据检验结果决定是否对余下的所有产品作检验.设每件产品为不合格品的概率都为p (0＜p ＜1)，且各件产品是否为不合格品相互独立. (1)记20件产品中恰有2件不合格品的概率为f (p )，求f (p )的最大值点p 0.(2)现对一箱产品检验了20件，结果恰有2件不合格品，以(1)中确定的p 0作为p 的值.已知每件产品的检验费用为2元，若有不合格品进入用户手中，则工厂要对每件不合格品支付25元的赔偿费用. ①若不对该箱余下的产品作检验，这一箱产品的检验费用与赔偿费用的和记为X ，求EX ； ②以检验费用与赔偿费用和的期望值为决策依据，是否该对这箱余下的所有产品作检验？[解题技法]离散型随机变量的期望和方差应用问题的解题策略(1)求离散型随机变量的期望与方差关键是确定随机变量的所有可能值，写出随机变量的分布列，正确运用期望、方差公式进行计算.(2)要注意观察随机变量的概率分布特征，若属于二项分布，可用二项分布的期望与方差公式计算，则更为简单.(3)在实际问题中，若两个随机变量ξ1，ξ2，有E (ξ1)＝E (ξ2)或E (ξ1)与E (ξ2)较为接近时，就需要用D (ξ1)与D (ξ2)来比较两个随机变量的稳定程度.即一般地将期望最大(或最小)的方案作为最优方案，若各方案的期望相同，则选择方差最小(或最大)的方案作为最优方案.跟踪训练某投资公司在2019年年初准备将1 000万元投资到“低碳”项目上，现有两个项目供选择：项目一：新能源汽车.据市场调研，投资到该项目上，到年底可能获利30%，也可能亏损15%，且这两种情况发生的概率分别为79和29；项目二：通信设备.据市场调研，投资到该项目上，到年底可能获利50%，可能损失30%，也可能不赔不赚，且这三种情况发生的概率分别为35，13和115.针对以上两个投资项目，请你为投资公司选择一个合理的项目，并说明理由.考点四 正态分布例、(1)设X ～N (μ1，σ21)，Y ～N (μ2，σ22)，这两个正态分布密度曲线如图所示.下列结论中正确的是( )A.P (Y ≥μ2)≥P (Y ≥μ1)B.P (X ≤σ2)≤P (X ≤σ1)C.对任意正数t ，P (X ≤t )≥P (Y ≤t )D.对任意正数t ，P (X ≥t )≥P (Y ≥t ) (2)已知随机变量X 服从正态分布N (3,1)，且P (X ≥4)＝0.158 7，则P (2＜X ＜4)＝( ) A.0.682 6 B.0.341 3 C.0.460 3 D.0.920 7(3)某校在一次月考中有900人参加考试，数学考试的成绩服从正态分布X ～N (90，a 2)(a ＞0，试卷满分150分)，统计结果显示数学考试成绩在70分到110分之间的人数约为总人数的35，则此次月考中数学考试成绩不低于110分的学生约有________人.[解题技法]正态分布下2类常见的概率计算(1)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，曲线与x 轴之间的面积为1.(2)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.跟踪训练1.已知随机变量ξ服从正态分布N (μ，σ2)，若P (ξ＜2)＝P (ξ＞6)＝0.15，则P (2≤ξ＜4)等于( ) A.0.3 B.0.35 C.0.5 D.0.72.为了监控某种零件的一条生产线的生产过程，检验员每天从该生产线上随机抽取16个零件，并测量其尺寸(单位：cm).根据长期生产经验，可以认为这条生产线正常状态下生产的零件的尺寸服从正态分布N (μ，σ2). (1)假设生产状态正常，记X 表示一天内抽取的16个零件中其尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的零件数，求P (X ≥1)及X 的数学期望；(2)一天内抽检零件中，如果出现了尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的零件，就认为这条生产线在这一天的生产过程可能出现了异常情况，需对当天的生产过程进行检查. ①试说明上述监控生产过程方法的合理性； ②下面是检验员在一天内抽取的16个零件的尺寸：9.95 10.12 9.96 9.96 10.01 9.92 9.98 10.04 10.26 9.91 10.13 10.02 9.22 10.04 10.05 9.95经计算得x ＝9.97，s ≈0.212，其中x i 为抽取的第i 个零件的尺寸，i ＝1,2， (16)用样本平均数x 作为μ的估计值μ^，用样本标准差s 作为σ的估计值σ^，利用估计值判断是否需对当天的生产过程进行检查？剔除(μ^－3σ^，μ^＋3σ^)之外的数据，用剩下的数据估计μ和σ(精确到0.01).附：若随机变量Z 服从正态分布N (μ，σ2)，则P (μ－3σ＜Z ＜μ＋3σ)＝0.997 4.0.997 416≈0.959 2，0.008≈0.09.课后作业1.口袋中有编号分别为1,2,3的三个大小和形状完全相同的小球，从中任取2个，则取出的球的最大编号X 的期望为( )A.13B.23C.2D.832.已知随机变量X 服从正态分布N (a,4)，且P (X ＞1)＝0.5，P (X ＞2)＝0.3，则P (X ＜0)＝( ) A.0.2 B.0.3 C.0.7 D.0.83.已知某公司生产的一种产品的质量X (单位：克)服从正态分布N (100,4)，现从该产品的生产线上随机抽取10 000件产品，其中质量在[98,104]内的产品估计有( )(附：若X 服从N (μ，σ2)，则P (μ－σ＜X ＜μ＋σ)＝0.682 7，P (μ－2σ＜X ＜μ＋2σ)＝0.954 5) A.4 093件 B.4 772件 C.6 827件 D.8 186件4.某篮球队对队员进行考核，规则是①每人进行3个轮次的投篮；②每个轮次每人投篮2次，若至少投中1次，则本轮通过，否则不通过.已知队员甲投篮1次投中的概率为23，如果甲各次投篮投中与否互不影响，那么甲3个轮次通过的次数X 的期望是( )A.3B.83C.2D.535.某学校为了给运动会选拔志愿者，组委会举办了一个趣味答题活动.参选的志愿者回答三个问题，其中两个是判断题，另一个是有三个选项的单项选择题，设ξ为回答正确的题数，则随机变量ξ的数学期望E (ξ)＝( )A.1B.43C.53D.26.一批产品的二等品率为0.02，从这批产品中每次随机取一件，有放回地抽取100次，X 表示抽到的二等品件数，则D (X )＝________.7.若随机变量ξ的分布列如表所示，E (ξ)＝1.6，则a －b ＝________.8.一个人将编号为1,2,3,4每个盒子放一个小球，球的编号与盒子的编号相同时叫做放对了，否则叫做放错了.设放对的个数为ξ，则ξ的期望值为________. 9.某市对大学生毕业后自主创业人员给予小额贷款补贴，贷款期限分为6个月、12个月、18个月、24个月、36个月五种，对于这五种期限的贷款政府分别补贴200元、300元、300元、400元、400元，从2018年享受此项政策的自主创业人员中抽取了100人进行调查统计，选择的贷款期限的频数如下表：. (1)某大学2019年毕业生中共有3人准备申报此项贷款，计算其中恰有2人选择的贷款期限为12个月的概率；(2)设给某享受此项政策的自主创业人员的补贴为X 元，写出X 的分布列；该市政府要做预算，若预计2019年全市有600人申报此项贷款，则估计2019年该市共要补贴多少万元.10.某厂有4台大型机器，在一个月中，1台机器至多出现1次故障，且每台机器是否出现故障是相互独立的，出现故障时需1名工人进行维修.每台机器出现故障的概率为13.(1)问该厂至少有多少名工人才能保证每台机器在任何时刻同时出现故障时能及时进行维修的概率不少于90%?(2)已知1名工人每月只有维修1台机器的能力，每月需支付给每位工人1万元的工资.每台机器不出现故障或出现故障能及时维修，就能使该厂产生5万元的利润，否则将不产生利润.若该厂现有2名工人，求该厂每月获利的均值.提高练习1.某群体中的每位成员使用移动支付的概率都为p ，各成员的支付方式相互独立.设X 为该群体的10位成员中使用移动支付的人数，DX ＝2.4，P (X ＝4)＜P (X ＝6)，则p ＝( )A.0.7B.0.6C.0.4D.0.32.设随机变量ξ服从正态分布N (μ，σ2)，函数f (x )＝x 2＋4x ＋ξ 没有零点的概率是12，则μ等于( )A.1B.2C.4D.不能确定 3.已知离散型随机变量X 的分布列如表所示，若E (X )＝0，D (X )＝1，则P (X ＜1)＝________.4.甲、乙两家外卖公司，元，每单送餐员抽成4元；乙公司，无底薪，40单以内(含40单)的部分送餐员每单抽成6元，超出40单的部分送餐员每单抽成7元.假设同一公司的送餐员一天的送餐单数相同，现从这两家公司各随机选取一名送餐员，并分别记录其50天的送餐单数，得到如下频数表：甲公司送餐员送餐单数频数表乙公司送餐员送餐单数频数表(1)现从记录甲公司的50天送餐单数中随机抽取3天的送餐单数，求这3天送餐单数都不小于40的概率.(2)若将频率视为概率，回答下列两个问题：①记乙公司送餐员日工资为X(单位：元)，求X的分布列和数学期望E(X)；②小王打算到甲、乙两家公司中的一家应聘送餐员，如果仅从日工资的角度考虑，请利用所学的统计学知识为小王作出选择，并说明理由.5.计划在某水库建一座至多安装3台发电机的水电站.过去50年的水文资料显示，水库年入流量X(年入流量：一年内上游来水与库区降水之和.单位：亿立方米)都在40以上.其中，不足80的年份有10年，不低于80且不超过120的年份有35年，超过120的年份有5年，将年入流量在以上三段的频率作为相应段的概率，并假设各年的入流量相互独立.(1)求未来4年中，至多有1年的年入流量超过120的概率；(2)水电站希望安装的发电机尽可能运行，但每年发电机最多可运行台数受年入流量X限制，并有如下关系：800万元.欲使水电站年总利润的均值达到最大，应安装发电机多少台？。

离散型随机变量的均值与方差、正态分布[考试要求]1.理解取有限个值的离散型随机变量的均值、方差的概念.2.会求简单离散型随机变量的均值、方差，并能利用离散型随机变量的均值、方差概念解决一些简单实际问题.3.借助频率直方图认识正态分布曲线的特点及曲线所表示的意义．1．离散型随机变量的分布列、均值与方差 一般地，若离散型随机变量X 的分布列为X x 1 x 2 … x i … x n Pp 1p 2…p i…p n(1)＝x 1p 1＋x 2p 2＋…＋x i p i ＋…＋x n p n 为随机变量的均值或数学期望，它反映了离散型随机变量取值的平均水平．(2)方差：称D (X )＝∑n i ＝1[x i －E (X )]2p i 为随机变量X 的方差，它刻画了随机变量X 与其均值E (X )的平均偏离程度，其算术平方根错误!为随机变量X 的标准差．2．均值与方差的性质 (1)E (aX ＋b )＝aE (X )＋b .(2)D (aX ＋b )＝a 2D (X )(a ，b 为常数)． 3．两点分布与二项分布的均值、方差均值 方差 变量X 服从两点分布E (X )＝p D (X )＝p (1－p ) X ～B (n ，p )E (X )＝npD (X )＝np (1－p )4．(1)正态曲线的特点：①曲线位于x轴上方，与x轴不相交；②曲线是单峰的，它关于直线x＝μ对称；③曲线在x＝μ处达到峰值1σ2π；④曲线与x轴之间的面积为1；⑤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；⑥当μ一定时，曲线的形状由σ确定，σ越小，曲线越“瘦高”，表示总体的分布越集中；σ越大，曲线越“矮胖”，表示总体的分布越分散．(2)正态分布的三个常用数据①P(μ－σ＜X≤μ＋σ)＝0.682_7；②P(μ－2σ＜X≤μ＋2σ)＝0.954_5；③P(μ－3σ＜X≤μ＋3σ)＝0.997_3.[常用结论]1．均值与方差的关系：D(X)＝E(X2)－E2(X)．2．超几何分布的均值：若X服从参数为N，M，n的超几何分布，则E(X)＝nM N.一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)离散型随机变量的各个可能值表示的事件是彼此互斥的．()(2)若X～N(μ，σ2)，则μ，σ2分别表示正态分布的均值和方差．()(3)随机变量的方差和标准差都反映了随机变量取值偏离均值的平均程度，方差或标准差越小，则偏离均值的平均程度越小. ()[答案](1)√(2)√(3)√二、教材习题衍生1．已知X的分布列为X －10 1设Y＝2X＋3A．73B．4C．－1D．1A[由概率分布列的性质可知：12＋13＋a＝1，∴a＝1 6.∴E(X)＝(－1)×12＋0×13＋1×16＝－13.∴E(Y)＝3＋2E(X)＝3－23＝73.]2．若离散型随机变量X的分布列为则X的方差D(X)14[由a2＋a22＝1得a＝1或－2(舍去)．∴X的分布列为∴D(X)＝12⎝⎛⎭⎪⎪⎫1－12＝14.]3．已知随机变量X服从正态分布N(3,1)，且P(X>2c－1)＝P(X<c＋3)，则c＝________.43[∵X～N(3,1)，∴正态曲线关于直线x＝3对称，且P(X>2c－1)＝P(X<c＋3)，∴2c－1＋c＋3＝3×2，∴c＝4 3.]4．甲、乙两工人在一天生产中出现的废品数分别是两个随机变量X，Y，其分布列分别为：X 012 3P 0.40.30.20.1Y 01 2P 0.30.50.2若甲、乙两人的日产量相等，则甲、乙两人中技术较好的是________．乙[E(X)＝0×0.4＋1×0.3＋2×0.2＋3×0.1＝1.E(Y)＝0×0.3＋1×0.5＋2×0.2＝0.9，因为E(Y)<E(X)，所以乙技术好．]考点一求离散型随机变量的均值、方差求离散型随机变量X的均值与方差的步骤(1)理解X的意义，写出X可能取的全部值．(2)求X取每个值时的概率．(3)写出X的分布列．(4)由均值的定义求E (X )． (5)由方差的定义求D (X )．[典例1] 为迎接2022年北京冬奥会，推广滑雪运动，某滑雪场开展滑雪促销活动．该滑雪场的收费标准是：滑雪时间不超过1小时免费，超过1小时的部分每小时收费标准为40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滑雪场运动，设甲、乙不超过1小时离开的概率分别为14，16；1小时以上且不超过2小时离开的概率分别为12，23；两人滑雪时间都不会超过3小时．(1)求甲、乙两人所付滑雪费用相同的概率；(2)设甲、乙两人所付的滑雪费用之和为随机变量ξ(单位：元)，求ξ的分布列与数学期望E (ξ)，方差D (ξ)．[解] (1)两人所付费用相同，相同的费用可能为0,40,80元，两人都付0元的概率为p 1＝14×16＝124，两人都付40元的概率为p 2＝12×23＝13，两人都付80元的概率为p 3＝⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫1－14－12×⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫1－16－23＝14×16＝124，则两人所付费用相同的概率为p ＝p 1＋p 2＋p 3＝124＋13＋124＝512.(2)由题设甲、乙所付费用之和为ξ，ξ可能取值为0,40,80,120,160，则： P (ξ＝0)＝14×16＝124；P (ξ＝40)＝14×23＋12×16＝14；P (ξ＝80)＝14×16＋12×23＋14×16＝512；P (ξ＝120)＝12×16＋14×23＝14；P (ξ＝160)＝14×16＝124.ξ的分布列为E (ξ)＝0×24＋40×4＋80×12＋120×4＋160×24＝80. D (ξ)＝(0－80)2×124＋(40－80)2×14＋(80－80)2×512＋(120－80)2×14＋(160－80)2×124＝4 0003.点评：(1)求离散型随机变量的均值与方差关键是确定随机变量的所有可能值，写出随机变量的分布列，正确运用均值、方差公式进行计算．(2)注意E (aX ＋b )＝aE (X )＋b ，D (aX ＋b )＝a 2D (X )的应用． [跟进训练]1．某群体中的每位成员使用移动支付的概率都为p ，各成员的支付方式相互独立．设X 为该群体的10位成员中使用移动支付的人数，D (X )＝2.4，P (X ＝4)<P (X ＝6)，则p ＝( )A．0.7B．0.6C．0.4D．0.3B[由题意知，该群体的10位成员使用移动支付的概率分布符合二项分布，所以D(X)＝10p(1－p)＝2.4，所以p＝0.6或p＝0.4.由P(X＝4)<P(X＝6)，得C410p4(1－p)6<C610p6(1－p)4，即(1－p)2<p2，所以p>0.5，所以p＝0.6.]2．随机抽取某厂的某种产品200件，经质检，其中一等品126件，二等品50件，三等品20件，次品4件．已知生产1件一、二、三等品获得的利润分别为6万元、2万元、1万元，而1件次品亏损2万元，设1件产品的利润(单位：元)为X.(1)求X的分布列；(2)求1件产品的平均利润(即X的数学期望)；(3)经技术革新后，仍有四个等级的产品，但次品率降为1%，一等品率提高为70%，如果此时要求1件产品的平均利润不小于4.73万元，则三等品率最多是多少？[解](1)X的所有可能取值有6,2,1，－2.P(X＝6)＝126200＝0.63，P(X＝2)＝50200＝0.25，P(X＝1)＝20200＝0.1，P(X＝－2)＝4200＝0.02.故X的分布列为：(2)E(X)＝6×0.63＋2×0.25＋1×0.1＋(－2)×0.02＝4.34.(3)设技术革新后的三等品率为x，则此时1件产品的平均利润为E(X)＝6×0.7＋2×(1－0.7－0.01－x)＋1×x＋(－2)×0.01＝4.76－x(0≤x≤0.29)．依题意，E(X)≥4.73，即4.76－x≥4.73，解得x≤0.03，所以三等品率最多为3%.考点二均值与方差在决策中的应用利用均值、方差进行决策的两个方略(1)当均值不同时，两个随机变量取值的水平可见分歧，可对问题作出判断．(2)若两随机变量均值相同或相差不大．则可通过分析两变量的方差来研究随机变量的离散程度或者稳定程度，进而进行决策．[典例2](2020·郑州市第一次质量预测)水污染现状与工业废水排放密切相关，某工厂深入贯彻科学发展观，努力提高污水收集处理水平，其污水处理程序如下：原始污水必先经过A系统处理，处理后的污水(A级水)达到环保标准(简称达标)的概率为p(0＜p＜1)．经化验检测，若确认达标便可直接排放；若不达标则必须经过B系统处理后直接排放．该工厂现有4个标准水量的A级水池，分别取样、检测．多个污水样本检测时，既可以逐个化验，也可以将若干个样本混合在一起化验．混合样本中只要有样本不达标，则混合样本的化验结果必不达标．若混合样本不达标，则该组中各个样本必须再逐个化验；若混合样本达标，则原水池的污水直接排放．现有以下四种方案：方案一：逐个化验；方案二：平均分成两组化验，且每组两个样本混在一起化验；方案三：三个样本混在一起化验，剩下的一个单独化验；方案四：四个样本混在一起化验．化验次数的期望值越小，则方案越“优”．(1)若p＝223，求2个A级水样本混合化验结果不达标的概率．(2)①若p ＝223，现有4个A 级水样本需要化验，请问：方案一、二、四中哪个最“优”？②若方案三比方案四更“优”，求p 的取值范围． [解] (1)该混合样本达标的概率是⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫2232＝89， 根据对立事件知，不达标的概率为1－89＝19.(2)①方案一：逐个化验，化验次数为4.方案二：由(1)知，每组两个样本化验时，若均达标则化验次数为2，概率为 ⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫892＝6481；若一组达标，另一组不达标则化验次数为4，概率为C 12×89×19＝1681；若两组均不达标则化验次数为6，概率为⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫192＝181.记方案二的化验次数为ξ2，则ξ2的可能取值为2,4,6，其分布列如下，可求得方案二的期望为E (ξ2)＝2×81＋4×81＋6×81＝81＝9.方案四：混在一起化验，记化验次数为ξ4，则ξ4可取1,5， 其分布列如下，可求得方案四的期望为E (ξ4)＝1×81＋5×81＝81.比较可得E (ξ4)＜E (ξ2)＜4，故方案四最“优”． ②方案三：设化验次数为η3，则η3可取2,5，E (η3)＝2p 3＋3)＝5－3p 3方案四：设化验次数为η4，则η4可取1,5，E (η4)＝p 4＋5(1－p 4)＝5－4p 4.由题意得E (η3)＜E (η4)⇔5－3p 3＜5－4p 4⇔p ＜34.故当0＜p ＜34时，方案三比方案四更“优”．点评：随机变量的均值反映了随机变量取值的平均水平，方差反映了随机变量稳定于均值的程度，它们从整体和全局上刻画了随机变量，是生产实际中用于方案取舍的重要理论依据．一般先比较均值，若均值相同，再用方差来决定．[跟进训练]某种大型医疗检查机器生产商，对一次性购买2台机器的客户，推出两种超过质保期后两年内的延保维修优惠方案：方案一：交纳延保金7 000元，在延保的两年内可免费维修2次，超过2次每次收取维修费2 000元；方案二：交纳延保金10 000元，在延保的两年内可免费维修4次，超过4次每次收取维修费1 000元．某医院准备一次性购买2台这种机器．现需决策在购买机器时应购买哪种延保方案，为此搜集并整理了50台这种机器超过质保期后延保两年内维修的次数，得下表：以这50X表示这2台机器超过质保期后延保的两年内共需维修的次数．(1)求X的分布列；(2)以所需延保金及维修费用的期望值为决策依据，医院选择哪种延保方案更合算？[解](1)X所有可能的取值为0,1,2,3,4,5,6.P(X＝0)＝110×110＝1100，P(X＝1)＝110×15×2＝125，P(X＝2)＝15×15＋25×110×2＝325，P(X＝3)＝110×310×2＋15×25×2＝1150，P(X＝4)＝25×25＋310×15×2＝725，P(X＝5)＝25×310×2＝625，P(X＝6)＝310×310＝9100，∴X的分布列为X 012345 6P110012532511507256259100(2)选择延保方案一，所需费用Y1元的分布列为：Y17 0009 00011 00013 00015 000P 1710011507256259100E(Y1)＝17100×7 000＋1150×9 000＋725×11 000＋625×13 000＋9100×15 000＝10720(元)．选择延保方案二，所需费用Y2元的分布列为：Y210 00011 00012 000P 671006259100E(Y2)＝67100×10 000＋625×11 000＋9100×12 000＝10 420(元)．∵E(Y1)＞E(Y2)，∴该医院选择延保方案二较合算．考点三正态分布关于正态总体在某个区间内取值的概率求法(1)熟记P(μ－σ<X≤μ＋σ)，P(μ－2σ<X≤μ＋2σ)，P(μ－3σ<X≤μ＋3σ)的值．(2)充分利用正态曲线的对称性和曲线与x轴之间面积为1.①正态曲线关于直线x ＝μ对称，从而在关于x＝μ对称的区间上概率相等；②P(X<a)＝1－P(X≥a)，P(X<μ－a )＝P (X ≥μ＋a )．[典例3] 为了监控某种零件的一条生产线的生产过程，检验员每天从该生产线上随机抽取16个零件，并测量其尺寸(单位：cm)．根据长期生产经验，可以认为这条生产线正常状态下生产的零件的尺寸服从正态分布N (μ，σ2)．(1)假设生产状态正常，记X 表示一天内抽取的16个零件中其尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的零件数，求P (X ≥1)及X 的数学期望；(2)一天内抽检零件中，如果出现了尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的零件，就认为这条生产线在这一天的生产过程可能出现了异常情况，需对当天的生产过程进行检查．①试说明上述监控生产过程方法的合理性； ②下面是检验员在一天内抽取的16个零件的尺寸：经计算得x ＝116∑16i ＝1 x i ＝9.97，s ＝错误!＝错误!)≈0.212，其中x i 为抽取的第i 个零件的尺寸，i ＝1,2， (16)用样本平均数x 作为μ的估计值μ^，用样本标准差s 作为σ的估计值σ^，利用估计值判断是否需对当天的生产过程进行检查？剔除(μ^－3σ^，μ^＋3σ^)之外的数据，用剩下的数据估计μ和σ(精确到0.01)．附：若随机变量Z 服从正态分布N (μ，σ2)，则P (μ－3σ<Z ＜μ＋3σ)＝0.997 4,0.997 416≈0.959 2，0.008≈0.09.[解] (1)抽取的一个零件的尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之内的概率为0.997 4，从而零件的尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的概率为0.002 6，故X ～B (16,0.002 6)．因此P (X ≥1)＝1－P (X ＝0)＝1－0.997 416≈0.040 8. X 的数学期望E (X )＝16×0.002 6＝0.041 6.(2)①如果生产状态正常，一个零件尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的概率只有0.0026，一天内抽取的16个零件中，出现尺寸在(μ－3σ，μ＋3σ)之外的零件的概率只有0.040 8，发生的概率很小，因此一旦发生这种情况，就有理由认为这条生产线在这一天的生产过程可能出现了异常情况，需对当天的生产过程进行检查，可见上述监控生产过程的方法是合理的．②由x＝9.97，s≈0.212，得μ的估计值为μ^＝9.97，σ的估计值为σ^＝0.212，由样本数据可以看出有一个零件的尺寸在(μ^－3σ^，μ^＋3σ^)之外，因此需对当天的生产过程进行检查．剔除(μ^－3σ^，μ^＋3σ^)之外的数据9.22，剩下数据的平均数为115×(16×9.97－9.22)＝10.02.因此μ的估计值为10.02.∑16i＝1x2i＝16×0.2122＋16×9.972≈1 591.134，剔除(μ^－3σ^，μ^＋3σ^)之外的数据9.22，剩下数据的样本方差为115×(1 591.134－9.222－15×10.022)≈0.008，因此σ的估计值为0.008≈0.09.点评：本题考查正态分布、概率统计问题的综合，是在知识网络的交汇处命制的一道较为新颖的试题．正态分布与统计案例有些知识点是所谓的高考“冷点”，由于考生对这些“冷点”的内容重视不够，复习不全面，一旦这些“冷点”知识出了考题，虽然简单但也做错，甚至根本不会做，因而错误率相当高．本题求解的关键是借助题设提供的数据对问题做出合理的分析，其中方差公式的等价变形是数据处理的关键点．[跟进训练]1．在如图所示的正方形中随机投掷10 000个点，则落入阴影部分(曲线C 为正态分布N (－1,1)的密度曲线)的点的个数的估计值为( )附：若X ～N (μ，σ2)，则P (μ－σ＜X ＜μ＋σ)＝0.682 7，P (μ－2σ＜X ＜μ＋2σ)＝0.954 5.A ．1 193B ．1 359C ．2 718D ．3 413B [对于正态分布N (－1,1)，μ＝－1，σ＝1，正态曲线关于x ＝－1对称，故题图中阴影部分的面积为12×[P (－3＜X ＜1)－P (－2＜X ＜0)]＝12×[P (μ－2σ＜X ＜μ＋2σ)－P (μ－σ＜X ＜μ＋σ)]＝12×(0.954 5－0.682 7)＝0.135 9，所以点落入题图中阴影部分的概率P ＝0.135 91＝0.135 9，投入10 000个点，落入阴影部分的个数约为10 000×0.135 9＝1 359.]2．为评估设备M 生产某种零件的性能，从设备M 生产零件的流水线上随机抽取100个零件作为样本，测量其直径后，整理得到下表：直径/mm 58 59 61 62 63 64 65 66 个数 1 1 3 5 6 19 33 18直径/mm 67 68 69 70 71 73 合计 个数442121100经计算，样本直径的平均值μ＝65，标准差σ＝2.2，以频率值作为概率的估计值．(1)为评判一台设备的性能，从该设备加工的零件中任意抽取一件，记其直径为X ，并根据以下不等式进行评判(P 表示相应事件的概率)：①P (μ－σ<X ≤μ＋σ)≥0.682 7；②P (μ－2σ<X ≤μ＋2σ)≥0.954 5；③P (μ－3σ<X ≤μ＋3σ)≥0.997 3.评判规则为：若同时满足上述三个不等式，则设备等级为甲；若仅满足其中两个，则等级为乙；若仅满足其中一个，则等级为丙；若全部都不满足，则等级为丁，试判断设备M的性能等级．(2)将直径小于等于μ－2σ或直径大于μ＋2σ的零件认为是次品．①从设备M的生产流水线上随机抽取2件零件，计算其中次品件数Y的数学期望E(Y)；②从样本中随机抽取2件零件，计算其中次品件数Z的数学期望E(Z)．[解](1)P(μ－σ<X≤μ＋σ)＝P(62.8<X≤67.2)＝0.8>0.682 7，P(μ－2σ<X≤μ＋2σ)＝P(60.6<X≤69.4)＝0.94<0.954 5，P(μ－3σ<X≤μ＋3σ)＝P(58.4<X≤71.6)＝0.98<0.997 3，因为设备M的数据仅满足一个不等式，故其性能等级为丙．(2)易知样本中次品共6件，可估计设备M生产零件的次品率为0.06.①由题意可知Y～B()2，0.06，于是E(Y)＝2×0.06＝0.12.②由题意可知Z的分布列为故E(Z)＝0×C2100＋1×C2100＋2×C2100＝25.。

离散型随机变量的期望值和方差●知识梳理1.期望：若离散型随机变量ξ，当ξ=x i 的概率为P （ξ=x i ）=P i （i =1，2，…，n ，…），则称E ξ=∑x i p i 为ξ的数学期望，反映了ξ的平均值.2.方差：称D ξ=∑（x i －E ξ）2p i 为随机变量ξ的均方差，简称方差. D 叫标准差，反映了ξ的离散程度.3.性质：（1）E （a ξ+b ）=aE ξ+b ，D （a ξ+b ）=a 2D ξ（a 、b 为常数）. （2）若ξ～B （n ，p ），则E ξ=np ，D ξ=npq （q =1－p ）. ●点击双基1.设投掷1颗骰子的点数为ξ，则ξ=，D ξ=ξ=，D ξ=1235 ξ=，D ξ=ξ=，D ξ=1635 解析：ξ可以取1，2，3，4，5，6.P （ξ=1）=P （ξ=2）=P （ξ=3）=P （ξ=4）=P （ξ=5）=P （ξ=6）=61， ∴E ξ=1×61+2×61+3×61+4×61+5×61+6×61=， D ξ=［（1－）2+（2－）2+（3－）2+（4－）2+（5－）2+（6－）2］×61=65.17=1235. 答案：B2.设导弹发射的事故率为，若发射10次，其出事故的次数为ξ，则下列结论正确的是ξ=ξ=（ξ=k ）=·－k（ξ=k ）=C k10··－k解析：ξ～B （n ，p ），E ξ=10×=. 答案：A3.已知ξ～B （n ，p ），且E ξ=7，D ξ=6，则p 等于 A.71B.61 C.51 D.41 解析：E ξ=np =7，D ξ=np （1－p ）=6，所以p =71. 答案：A4.一牧场有10头牛，因误食含有病毒的饲料而被感染，已知该病的发病率为.设发病的牛的头数为ξ，则D ξ等于解析：D ξ=10××=. 答案：C5.有两台自动包装机甲与乙，包装重量分别为随机变量ξ1、ξ2，已知E ξ1=E ξ2，D ξ1＞D ξ2，则自动包装机________的质量较好.解析：E ξ1=E ξ2说明甲、乙两机包装的重量的平均水平一样.D ξ1>D ξ2说明甲机包装重量的差别大，不稳定.∴乙机质量好.答案：乙●典例剖析【例1】 设ξ是一个离散型随机变量，其分布列如下表，试求E ξ、D ξ.ξ－10 1 P1－2qq 2剖析：应先按分布列的性质，求出q 的值后，再计算出E ξ、D ξ.解：因为随机变量的概率非负且随机变量取遍所有可能值时相应的概率之和等于1，所以⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤-≤=+-+,1,1210,1212122q p q q 解得q =1－22. 于是，ξ的分布列为ξ－11P2－123－2 所以E ξ=（－1）×21+0×（2－1）+1×（23－2）=1－2， D ξ=［－1－（1－2）］2×21+（1－2）2×（2－1）+［1－（1－2）］2×（23－2）=2－1.评述：解答本题时，应防止机械地套用期望和方差的计算公式，出现以下误解：E ξ=（－1）×21+0×（1－2q ）+1×q 2=q 2－21. 拓展提高既要会由分布列求E ξ、D ξ，也要会由E ξ、D ξ求分布列，进行逆向思维.如：若ξ是离散型随机变量，P （ξ=x 1）=53，P （ξ=x 2）=52，且x 1<x 2，又知E ξ=57，D ξ=256.求ξ的分布列. 解：依题意ξ只取2个值x 1与x 2，于是有 E ξ=53x 1+52x 2=57， D ξ=53x 12+52x 22－E ξ2=256. 从而得方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+=+.1123,723222121x x x x 解之得⎩⎨⎧==2,121x x 或⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==.54,5921x x而x 1<x 2，∴x 1=1，x 2=2. ∴ξ的分布列为ξ12P【例2】 人寿保险中（某一年龄段），在一年的保险期内，每个被保险人需交纳保费a 元，被保险人意外死亡则保险公司赔付3万元，出现非意外死亡则赔付1万元.经统计此年龄段一年内意外死亡的概率是p 1，非意外死亡的概率为p 2，则a 需满足什么条件，保险公司才可能盈利?剖析：要使保险公司能盈利，需盈利数ξ的期望值大于0，故需求E ξ. 解：设ξ为盈利数，其概率分布为ξa a －30000a －10000P1－p 1－p 2p 1p 2且E ξ=a （1－p 1－p 2）+（a －30000）p 1+（a －10000）p 2=a －30000p 1－10000p 2. 要盈利，至少需使ξ的数学期望大于零，故a ＞30000p 1+10000p 2. 评述：离散型随机变量的期望表征了随机变量取值的平均值.思考讨论本题中D ξ有什么实际意义?【例3】 把4个球随机地投入4个盒子中去，设ξ表示空盒子的个数，求E ξ、D ξ.剖析：每个球投入到每个盒子的可能性是相等的.总的投球方法数为44，空盒子的个数可能为0个，此时投球方法数为A 44=4!，∴P （ξ=0）=44!4=646；空盒子的个数为1时，此时投球方法数为C 14C 24A 33， ∴P （ξ=1）=6436. 同样可分析P （ξ=2），P （ξ=3）. 解：ξ的所有可能取值为0，1，2，3.P （ξ=0）=4444A =646，P （ξ=1）=43324144A C C =6436，P （ξ=2）=422242424244A C C C C =6421，P （ξ=3）=4144C =641. ∴ξ的分布列为 ξ123P∴E ξ=6481，D ξ=264. 评述：本题的关键是正确理解ξ的意义，写出ξ的分布列.特别提示求投球的方法数时，要把每个球看成不一样的.ξ=2时，此时有两种情况：①有2个空盒子，每个盒子投2个球；②1个盒子投3个球，另1个盒子投1个球.●闯关训练 夯实基础1.设服从二项分布B （n ，p ）的随机变量ξ的期望和方差分别是与，则二项分布的参数n 、p 的值为 =4，p = =6，p = =8，p ==24，p =解析：由E ξ==np ，D ξ==np （1－p ），可得 1－p =4.244.1=，p =，n =4.04.2=6. 答案：B2.一射手对靶射击，直到第一次命中为止每次命中的概率为，现有4颗子弹，命中后的剩余子弹数目ξ的期望为解析：ξ=0，1，2，3，此时P （ξ=0）=，P （ξ=1）=×，P （ξ=2）=×，P （ξ=3）=，E ξ=. 答案：C3.设一次试验成功的概率为p ，进行100次独立重复试验，当p =________时，成功次数的标准差的值最大，其最大值为________.解析：D ξ=npq ≤n （2q p +）2=4n ，等号在p =q =21时成立，此时，D ξ=25，σξ=5. 答案：215 4.甲从学校乘车回家，途中有3个交通岗，假设在各交通岗遇红灯的事件是相互独立的，并且概率都是52，则甲回家途中遇红灯次数的期望为________. 解析：设甲在途中遇红灯次数为ξ，则ξ～B （3，52）， 所以E ξ=3×52=. 答案：5.一次单元测试由50个选择题构成，每个选择题有4个选项，其中恰有1个是正确答案.每题选择正确得2分，不选或错选得0分，满分是100分.学生甲选对任一题的概率为，求他在这次测试中成绩的期望和标准差.解：设学生甲答对题数为ξ，成绩为η，则ξ～B （50，），η=2ξ，故成绩的期望为E η=E （2ξ）=2E ξ=2×50×=80（分）；成绩的标准差为ση=ηD =)2(ξD =ξD 4=22.08.050⨯⨯=42≈（分）.6.袋中有4只红球，3只黑球，今从袋中随机取出4只球.设取到一只红球得2分，取到一只黑球得1分，试求得分ξ的概率分布和数学期望.解：直接考虑得分的话，情况较复杂，可以考虑取出的4只球颜色的分布情况： 4红得8分，3红1黑得7分，2红2黑得6分，1红3黑得5分，故P （ξ=5）=473314C C C =354， P （ξ=6）=472324C C C =3518，P （ξ=7）=471334C C C =3512， P （ξ=8）=470344C C C =351，E ξ=5×354+6×3518+7×3512+8×351=35220=744. 培养能力7.一台设备由三大部件组成，在设备运转中，各部件需要调整的概率相应为，和.假设各部件的状态相互独立，以ξ表示同时需要调整的部件数，试求ξ的数学期望E ξ和方差D ξ.解：设A i ={部件i 需要调整}（i =1，2，3），则P （A 1）=，P （A 2）=，P （A 3）=. 由题意，ξ有四个可能值0，1，2，3.由于A 1，A 2，A 3相互独立，可见 P （ξ=0）=P （1A 2A 3A ）=××=；P （ξ=1）=P （A 12A 3A ）+P （1A A 23A ）+P （1A 2A A 3）=××+××+××=； P （ξ=2）=P （A 1A 23A ）+P （A 12A A 3）+P （1A A 2A 3）=××+××+××=； P （ξ=3）=P （A 1A 2A 3）=××=. ∴E ξ=1×+2×+3×=，D ξ=E ξ2－（E ξ）2=1×+4×+9×－=－=. 8.证明：事件在一次实验中发生的次数的方差不超过41. 证明：设事件在一次试验中发生的次数为ξ，ξ的可能取值为0或1，又设事件在一次试验中发生的概率为p ，则P （ξ=0）=1－p ，P （ξ=1）=p ，E ξ=0×（1－p ）+1×p =p ，D ξ=（1－p ）·（0－p ）2+p （1－p ）2=p （1－p ）≤（21p p -+）2=41. 所以事件在一次试验中发生的次数的方差不超过41. 探究创新9.将数字1，2，3，4任意排成一列，如果数字k 恰好出现在第k 个位置上，则称之为一个巧合，求巧合数的数学期望.解：设ξ为巧合数，则P （ξ=0）=44A 9=249，P （ξ=1）=4414A 2C ⨯=31，P （ξ=2）=4424A C =41，P （ξ=3）=0，P （ξ=4）=4444A C =241， 所以E ξ=0×249+1×31+2×41+3×0+4×241=1. 所以巧合数的期望为1. ●思悟小结1.离散型随机变量的期望和方差都是随机变量的重要的特征数，期望反映了随机变量的平均值，方差反映了随机变量取值的稳定与波动、集中与离散的程度.2.求离散型随机变量的期望与方差，首先应明确随机变量的分布列，若分布列中的概率值是待定常数，应先求出这些待定常数后，再求其期望与方差.3.离散型随机变量的期望和方差的计算公式与运算性质： E ξ=∑∞=1i x i p i，D ξ=∑∞=1i （x i－E ξ）2p i，E （a ξ+b ）=aE ξ+b ，D （a ξ+b ）=a 2D ξ.4.二项分布的期望与方差：若ξ～B （n ，p ），则E ξ=np ，D ξ=np （1－p ）.5.对求离散型随机变量的期望和方差的应用问题，首先应仔细地分析题意，当概率分布不是一些熟知的类型时，应全面地剖析各个随机变量所包含的各种事件，并准确判断各事件的相互关系，从而求出各随机变量相应的概率.●教师下载中心 教学点睛1.期望是算术平均值概念的推广，是概率意义下的平均.E ξ由ξ的分布列唯一确定.ξ表示ξ对E ξ的平均偏离程度，D ξ越大表示平均偏离程度越大，说明ξ的取值越分散.3.要培养学生运用期望与方差的意义解决实际问题的能力.拓展题例【例1】 若随机变量A 在一次试验中发生的概率为p （0<p <1），用随机变量ξ表示A 在1次试验中发生的次数.（1）求方差D ξ的最大值； （2）求ξξE D 12-的最大值. 剖析：要求D ξ、ξξE D 12-的最大值，需求D ξ、E ξ关于p 的函数式，故需先求ξ的分布列. 解：随机变量ξ的所有可能取值为0，1，并且有P （ξ=1）=p ，P （ξ=0）=1－p ，从而E ξ=0×（1－p ）+1×p =p ，D ξ=（0－p ）2×（1－p ）+（1－p ）2×p =p －p 2.（1）D ξ=p －p 2=－（p －21）2+41， ∵0<p <1， ∴当p =21时，D ξ取得最大值为41. （2）ξξE D 12-=p p p 1)(22--=2－（2p +p1），∵0<p <1，∴2p +p1≥22. 当且仅当2p =p1，即p =22时，ξξE D 12-取得最大值2－22.评述：在知识的交汇点处出题是高考的发展趋势，应引起重视.【例2】 袋中装有一些大小相同的球，其中有号数为1的球1个，号数为2的球2个，号数为3的球3个，…，号数为n 的球n 个.从袋中任取一球，其号数作为随机变量ξ，求ξ的概率分布和期望.解：ξ的概率分布为E ξ=1×)1(n n ++2×)1(n n ++3×)1(+n n +…+n ×)1(+n n=)1(2n n +（12+22+32+…+n 2）=312+n .。