高尔顿(钉)板与二项分布的关系的证明教程文件

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高尔顿(钉)板与二项分布的关系的证明
高尔顿(钉)板与二项分布的关系的证明
“(人教版)选修2—3 57页探索与研究
高尔顿(钉)板是在一块竖起的木板上钉上一排排互
相平行、水平间隔相等的铁钉(如图),并且每一排钉子
数目都比上一排多一个,一排中各个钉子下好对准上面一
排两上相邻铁钉的正中央。

从入口处放入一个直径略小于
两颗钉子间隔的小球,当小球从两钉之间的间隙下落时,
由于碰到下一排铁钉,它将以相等的可能性向左或向右落
下,接着小球再通过两钉的间隙,又碰到下一排铁休。

如此继续下去,小球最后落入下方条状的格子内。

有兴趣的同学可以通过以下的问题研究高尔顿板与二项分布的关系。

1.通过高尔顿板实验课件,做1000个小球的高尔顿板试验,看一看小球在格子中的分布形状是怎样的?
2.计算小球落入各个格子所有可能路线的数目。

(提示:考虑它与杨辉三角的关系)
3.计算小球落入各个格子的概率。


设(如图)高尔顿(钉)板有n行钉,第n行铁钉共有(n+2)个,两个铁钉之间一个空,则有(n+1)个空。

把这(n+1)个空由左到右依次编号为i=0,1,2,…,n共(n+1)个空。

观察i=0这个空,小球从这个空落下的条件是:小球从第一次与铁钉碰撞后必须连续向左落下,即连续n 次选择向左落下,所以落入第i=0个空的概率为P (i=0)=C 0n (
2
1)n (2
1)0。

观察i=1这个空,小球从这个空落下的条件是:小球从第一次与铁钉碰撞后连续n 次碰撞落下过程中,有且只有一次选择向右落下,其余都只能是向左落下,所以落入第i=1个空的概率为P (i=1)=C 1n (
2
1)n —1(2
1)1。

猜想第i 个空,小球从这个空落下的结论是:小球从第一次与铁钉碰撞后连续n 次碰撞落下过程中,有i 次选择向右落下,其余都选择向左落下,所以落入第i 个空的概率为
P (i )= C i n (2
1)n —i (2
1)i 。

(i=0,1,2,…,n )
现对上猜想给出证明:a n ,i = P (i )= C i n (2
1)n —i (2
1)i 。

(i=0,1,2,…,n ) 规定:a i ,j 表示第i 行第j (0≤j ≤n )个空球落下的概率。

由高尔顿(钉)板可知:a 1,0=2
1
,a 1,1=2
1
⎪⎪⎪



⎪⎨⎧
+===-----i 1,n 1i 1,n i n,1
n 0,n 0,1,0n n,0a 21a 21a a 21a a 21a (1≤i ≤n -1,n ≥2) 用数学归纳法证明: 1.当n=1时,已如上证。

当n=2时,a 2,0=21
a 1,0=(21)2=C 02(21)2—0(2
1)0 a 2,1=21 a 1,0+21 a 1,1=21 =C 12(
21)2—1(2
1)1 a 2,2=2
1 a 1,1=(21)2= C 22
(21)0(2
1)2—0 显然成立。

2.假设n=k (k ≥2)成立(即假设第n 行每一个数据都成立)。

即a k ,i = C i k (21)k —i (2
1)i
当n=k+1时,a k+1,0=21 a k ,0= 21C 0k (
21)k —0 (2
1)0 = C 01k +(
21)(k+1)-0 (2
1)0
a k+1,k+1=21 a k ,k =21 C k k (21)k —k (2
1)k = C k k (
21)(k+1)—(k+1)(2
1)k+1 = C 1
k 1k ++(
21)(k+1)—(k+1)(2
1)k+1 a k+1,i =21 a k ,i-1+2
1 a k ,i =2
1 C 1-i k (2
1)k-(i-1)(2
1)i-1+2
1 C i k (2
1)k-i (2
1)i =( C 1-i k + C i k )(2
1)k+1
= C i 1k +(2
1)(k+1)-i (21)i
∴在n=k 成立的条件下,n=k+1也成立。

3.由1,2得,原命题成立。

由此可知:做一个小球的高尔顿(钉)板试验落入第i 个空的概率正好满足二项分布。

由大量小球做高尔顿(钉)板试验可知道,小球在各个空格落入的数量关系满足正态分布(已有人发布了试验的动画在此就不做说明)。