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    2021高三人教B版数学一轮(经典版)教师用书:第11章第9讲 离散型随机变量的均值、方差和正态分布

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    9讲 离散型随机变量的均值、方差和正态分布基础知识整合1.离散型随机变量的均值与方差(1)若离散型随机变量X的分布列为Xx1x2xixnPp1p2pipn均值E(X)x1p1x2p2xipixnpn为随机变量X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.方差D(X)(xiE(X))2pi为随机变量X的方差,它刻画了随机变量X与其均值E(X)平均偏离程度,其算术平方根为随机变量X的标准差.(2)均值与方差的性质E(aXb)aE(X)b.D(aXb)a2D(X)(ab为常数)E(k)k(k为常数)E(X1X2)E(X1)E(X2)D(X)E(X2)(E(X))2.X1X2相互独立,则E(X1X2)E(X1E(X2)D(k)0(k为常数)若给定一组数据x1x2xn,其方差为s2,则ax1ax2axn的方差为a2s2.若给定一组数据x1x2xn,其方差为s2,则ax1bax2baxnb的方差为a2s2,特别地,当a1时,有x1bx2bxnb的方差为s2,这说明将一组数据的每一个数据都加上一个相同的常数,方差是不变的,即不影响数据的波动性.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)pD(X)p(1p)XB(np)E(X)npD(X)np(1p)2.正态分布(1)正态曲线的性质曲线位于x上方,与x轴不相交;曲线是单峰的,它关于直线xμ对称;曲线在xμ处达到峰值曲线与x轴之间的面积为1σ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,如图甲所示;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,如图乙所示.(2)正态分布的三个常用数据P(μσ<Xμσ)0.6826P(μ2σ<Xμ2σ)0.9544P(μ3σ<Xμ3σ)0.9974.1E(X)是一个实数,由X的分布列唯一确定.随机变量X是可变的,可取不同的值,而E(X)是不变的,它描述X取值的平均状态.2.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,其中标准差与随机变量本身具有相同的单位.3.方差也是一个常数,它不具有随机性,方差的值一定是非负的.1.已知随机变量X服从正态分布N(3σ2),且P(X<5)0.8,则P(1<x<3)(  )A0.6  B0.4 C0.3  D0.2答案 C解析 由正态曲线的对称性可知,P(X<3)P(X>3)0.5,故P(X>1)P(X<5)0.8,所以P(X1)1P(X>1)0.2P(1<X<3)P(X<3)P(X1)0.50.20.3.2.某街头小摊,在不下雨的日子一天可赚到100元,在下雨的日子每天要损失10元,若该地区每年下雨的日子约为130天,则此小摊每天获利的期望值约是(一年按365天计算)(  )A60.82 B68.02C58.82 D60.28答案 A解析 E(ξ)100×(10)×60.82,所以选A.3(2019·广西名校联考)设整数m是从不等式x22x80的整数解的集合S中随机抽取的一个元素,记随机变量ξm2,则ξ的数学期望E(ξ)(  )A1  B5 C2 D.答案 B解析 x22x80,得-2x4S{2,-10,1,2,3,4}ξm2ξ可取的值分别为0,1,4,9,16,相应的概率分别为ξ的数学期望E(ξ)0×1×4×9×16×5.故选B.4(2020·孝感摸底)已知袋中有3个白球、2个红球,现从中随机取出3个球,其中取出1个白球计1分,取出1个红球计2分,记X为取出3个球的总分值,则E(X)(  )A. B. C4 D.答案 B解析 由题意,知X的所有可能取值为3,4,5,且P(X3)P(X4)P(X5),所以E(X)3×4×5×.5(2019·安徽六安毛坦厂中学月考)某次考试共有12个选择题,每个选择题的分值为5分,每个选择题四个选项且只有一个选项是正确的,A学生对12个选择题中每个题的四个选择项都没有把握,最后选择题的得分为X分,B学生对12个选择题中每个题的四个选项都能判断其中有一个选项是错误的,对其他三个选项都没有把握,选择题的得分为Y分,则D(Y)D(X)的值为(  )A. B.C. D.答案 A解析 A学生答对题的个数为m,则得分X5m()mBD(m)12××,所以D(X)25×,同理设B学生答对题的个数为n,可知nBD(n)12××,所以D(Y)×25,所以D(Y)D(X).故选A.6.一射击测试每人射击三次,每击中目标一次记10分,没有击中目标记0分.某人每次击中目标的概率为,则此人得分的数学期望与方差分别为________答案 20解析 记此人三次射击击中目标X次,得分为Y分,则XBY10X,所以E(Y)10E(X)10×3×20D(Y)100D(X)100×3××.核心考向突破精准设计考向,多角度探究突破考向一 离散型随机变量的均值与方差角度  与古典概型有关的均值与方差1 盒中共有9个球,其中有4个红球、3个黄球和2个绿球,这些球除颜色外完全相同.(1)从盒中一次随机取出2个球,求取出的2个球颜色相同的概率P(2)从盒中一次随机取出4个球,其中红球、黄球、绿球的个数分别记为x1x2x3,随机变量X表示x1x2x3中的最大数,求X的概率分布和数学期望E(X)解 (1)取到2个颜色相同的球可能是2个红球、2个黄球或2个绿球,所以P.(2)随机变量X所有可能的取值为2,3,4{X4}表示的随机事件是取到的4个球是4个红球P(X4){X3}表示的随机事件是取到的4个球是3个红球和1个其他颜色的球,或3个黄球和1个其他颜色的球P(X3)于是P(X2)1P(X3)P(X4)1.所以随机变量X的概率分布如下,X234P因此,随机变量X的数学期望E(X)2×3×4×.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.[即时训练] 1.(2019·江西师大附中模拟)已知某校的数学专业开设了ABCD四门选修课,甲、乙、丙3名学生必须且只需选修其中一门.(1)求这3名学生选择的选修课互不相同的概率;(2)若甲和乙要选同一门课,求选修课A被这3名学生选修的人数X的分布列和数学期望.解 (1)3名学生选择的选修课所有不同选法有4364种;各人互不相同的选法有A种,故这3名学生选择的选修课互不相同的概率P.(2)选修课A被这3名学生选修的人数X的可能取值为0,1,2,3P(X0)P(X1)P(X2)P(X3).所以X的分布列如下,X0123P数学期望E(X)0×1×2×3×.角度  与二项分布有关的期望与方差2 (2019·天津高考)设甲、乙两位同学上学期间,每天730之前到校的概率均为.假定甲、乙两位同学到校情况互不影响,且任一同学每天到校情况相互独立.(1)X表示甲同学上学期间的三天中730之前到校的天数,求随机变量X的分布列和数学期望;(2)M为事件上学期间的三天中,甲同学在730之前到校的天数比乙同学在730之前到校的天数恰好多2,求事件M发生的概率.解 (1)因为甲同学上学期间的三天中到校情况相互独立,且每天730之前到校的概率为XB从而P(Xk)Ck3kk0,1,2,3.所以随机变量X的分布列为X0123P随机变量X的数学期望E(X)3×2.(2)设乙同学上学期间的三天中730之前到校的天数为Y,则YB,且M{X3Y1}{X2Y0}由题意,知事件{X3Y1}{X2Y0}互斥,且事件{X3}{Y1},事件{X2}{Y0}均相互独立,从而由(1),知P(M)P({X3Y1}{X2Y0})P(X3Y1)P(X2Y0)P(X3)P(Y1)P(X2)P(Y0)××.求随机变量X的均值与方差时,可首先分析X是否服从二项分布,如果XB(np),则用公式E(X)npD(X)np(1p)求解,可大大减少计算量.[即时训练] 2.张先生家住H小区,他工作在C科技园区,从家开车到公司上班路上有L1L2两条路线(如图)L1路线上有A1A2A3三个路口,各路口遇到红灯的概率均为L2路线上有B1B2两个路口,各路口遇到红灯的概率依次为.(1)若走L1路线,求最多遇到1次红灯的概率;(2)若走L2路线,求遇到红灯次数X的数学期望;(3)按照平均遇到红灯次数最少的要求,请你帮助张先生从上述两条路线中选择一条最好的上班路线,并说明理由.解 (1)设走L1路线最多遇到1次红灯为A事件,P(A)C×3C××2.所以走L1路线,最多遇到1次红灯的概率为.(2)依题意,X的可能取值为0,1,2.P(X0)×P(X1)××P(X2)×.随机变量X的分布列为X012PE(X)×0×1×2.(3)设选择L1路线遇到红灯次数为Y,随机变量Y服从二项分布,即YB,所以E(Y)3×.因为E(X)<E(Y),所以选择L2路线上班最好.考向二 均值与方差的实际应用3 (2019·云南昆明质检)某地区为贯彻习近平总书记关于绿水青山就是金山银山的精神,鼓励农户利用荒坡种植果树.某农户考察三种不同的果树苗ABC,经引种试验后发现,引种树苗A的自然成活率为0.8,引种树苗BC的自然成活率均为p(0.7p0.9)(1)任取树苗ABC各一棵,估计自然成活的棵数为X,求X的分布列及E(X)(2)(1)中的E(X)取得最大值时p的值作为B种树苗自然成活的概率.该农户决定引种nB种树苗,引种后没有自然成活的树苗中有75%的树苗可经过人工栽培技术处理,处理后成活的概率为0.8,其余的树苗不能成活.求一棵B种树苗最终成活的概率;若每棵树苗引种最终成活后可获利300元,不成活的每棵亏损50元,该农户为了获利不低于20万元,问至少引种B种树苗多少棵?解 (1)依题意,X的所有可能值为0,1,2,3P(X0)0.2(1p)2P(X1)0.8×(1p)20.2×C×p×(1p)0.8(1p)20.4p(1p)0.4p21.2p0.8P(X2)0.2p20.8×C×p×(1p)0.2p21.6p(1p)=-1.4p21.6pP(X3)0.8p2X的分布列为X0123P0.2p20.4p0.2  0.4p21.2p0.8 1.4p21.6p0.8p2所以E(X)1×(0.4p21.2p0.8)2×(1.4p21.6p)3×0.8p22p0.8.(2)p0.9时,E(X)取得最大值.一棵B树苗最终成活的概率为0.90.1×0.75×0.80.96.Yn棵树苗的成活棵数,M(n)n棵树苗的利润,YB(n,0.96)E(Y)0.96nM(n)300Y50(nY)350Y50nE(M(n))350E(Y)50n286n,要使E(M(n))200000,则有n699.3.所以该农户至少引种B种树苗700棵,就可获利不低于20万元.均值与方差的实际应用(1)D(X)表示随机变量XE(X)的平均偏离程度,D(X)越大表明平均偏离程度越大,说明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,统计中常用来描述X的分散程度. (2)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的理论依据,一般先比较均值,若均值相同,再用方差来决定.[即时训练] 3.(2019·湖南师大附中考前演练五)随着国内电商的不断发展,快递业也进入了高速发展时期,按照国务院的发展战略布局,以及国家邮政管理总局对快递业的宏观调控,某快递收取快递费的标准是:重量不超过1 kg的包裹收费10元;重量超过1 kg的包裹,在收费10元的基础上,每超过1 kg(不足1 kg,按1 kg计算)需再收5元.某县该快递分代办点将最近承揽的100件包裹的重量统计如下:重量(单位:kg)(0,1](1,2](2,3](3,4](4,5]件数43301584对近60天,每天揽件数量统计如下表:件数范围0100101200201300301400401500件数50150250350450天数6630126以上数据已做近似处理,将频率视为概率.(1)计算该代办点未来5天内不少于2天揽件数在101300之间的概率;(2)估计该代办点对每件包裹收取的快递费的平均值;根据以往的经验,该代办点将快递费的三分之一作为前台工作人员的工资和公司利润,其余的用作其他费用.目前该代办点前台有工作人员3人,每人每天揽件不超过150件,日工资110元.代办点正在考虑是否将前台工作人员裁减1人,试计算裁员前后代办点每日利润的数学期望,若你是决策者,是否裁减工作人员1人?解 (1)由题意,可得样本中每天揽件数在101300之间的天数为36,频率f,故可估计每天揽件数在101300之间的概率为,显然未来5天中,每天揽件数在101300之间的天数X服从二项分布,即XB,故所求概率为1P(X0)P(X1)1C×5C××4.(2)样本中快递费用及包裹件数如下表:包裹重量(单位:kg)12345快递费(单位:元)1015202530包裹件数43301584故样本中每件包裹收取的快递费的平均值为15故估计该代办点对每件包裹收取的快递费的平均值为15元.代办点不应将前台工作人员裁员1人,理由如下:根据题意及(2),揽件数每增加1,代办点快递收入增加15()若不裁员,则每天可揽件的上限为450件,代办点每日揽件数情况如下:包裹件数范围0100101200201300301400401500包裹件数(近似处理)50150250350450实际揽件数50150250350450频率0.10.10.50.20.1平均揽件数50×0.1150×0.1250×0.5350×0.2450×0.1260故代办点平均每日利润的期望值为260×15×3×110970()若裁员1人,则每天可揽件的上限为300件,代办点每日揽件数情况如下:包裹件数范围0100101200201300301400401500包裹件数(近似处理)50150250350450实际揽件数50150250300300频率0.10.10.50.20.1平均揽件数50×0.1150×0.1250×0.5300×0.2300×0.1235则代办点平均每日利润的期望值为235×15×2×110955()故代办点不应将前台工作人员裁员1人.考向三 正态分布4 (1)设随机变量ξ服从正态分布N(3,4),若P(ξ<2a3)P(ξ>a2),则a的值为(  )A5  B3C. D.答案 D解析 因为ξ服从正态分布N(3,4)P(ξ<2a3)P(ξ>a2),所以x2a3xa2关于x3对称,所以3,即3a7,解得a.故选D.(2)(2019·山东淄博模拟)设每天从甲地去乙地的旅客人数为随机变量X,且XN(800,502).则一天中从甲地去乙地的旅客人数不超过900的概率为(  )参考数据:若XN(μσ2),有P(μσ<Xμσ)0.6826P(μ2σ<Xμ2σ)0.9544P(μ3σ<Xμ3σ)0.9974.A0.9772  B0.6826 C0.9974  D0.9544答案 A解析 XN(800,502)P(700<X900)0.9544P(X>900)0.0228P(X900)10.02280.9772.故选A.正态分布下的概率计算常见的两类问题(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xμ对称,及曲线与x轴之间的面积为1的性质.(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μσ进行对比联系,确定它们属于(μσμσ)(μ2σμ2σ)(μ3σμ3σ)中的哪一个.[即时训练] 4.若随机变量ξ服从正态分布N(0,1),已知P(ξ<1.96)0.025,则P(|ξ|<1.96)(  )A0.025  B0.050 C0.950  D0.975答案 C解析 由随机变量ξ服从正态分布N(0,1)P(ξ<1.96)1P(ξ1.96)所以P(|ξ|<1.96)P(1.96<ξ<1.96)P(ξ<1.96)P(ξ1.96)12P(ξ1.96)12P(ξ<1.96)12×0.0250.950.5.设XN(1,1),其正态分布密度曲线如图所示,那么向正方形ABCD中随机投掷10000个点,则落入阴影部分的点的个数的估计值是(  )注:若XN(μσ2),则P(μσ<X<μσ)68.26%P(μ2σ<X<μ2σ)95.44%.A7539  B6038 C7028  D6587答案 D解析 XN(1,1)μ1σ1P(μσ<X<μσ)68.26%P(0<X<2)68.26%,则P(1<X<2)34.13%阴影部分的面积为10.34130.6587.向正方形ABCD中随机投掷10000个点,落入阴影部分的点的个数的估计值是10000×6587.故选D.
    学科素养培优(二十三)正态分布与概率、统计的综合题(2019·安徽六校教育研究会第一次素质测试)从某企业的某种产品中抽取500件,测量这些产品的一项质量指标值,由测量结果得如下频率分布直方图:(1)求这500件产品质量指标值的样本平均数和样本方差s2(同一组数据用该区间的中点值作代表,记作xii1,27)(2)由频率分布直方图可以认为,这种产品的质量指标值X服从正态分布N(μσ2),其中μ近似为样本平均数σ2近似为样本方差s2.若使84.13%的产品的质量指标值高于企业制定的合格标准,则合格标准的质量指标值大约为多少?若该企业又生产了这种产品1000件,且每件产品相互独立,则这1000件产品质量指标值不低于12.14的件数最有可能是多少?附:参考数据与公式:(xi)2hi3.46,3.46×2.632;若XN(μσ2),则P(μσ<Xμσ)0.6826P(μ2σ<Xμ2σ)0.9544P(μ3σ<Xμ3σ)0.9974.解 (1)12×0.0414×0.1216×0.2818×0.3620×0.1022×0.0624×0.0417.4s2(xi)2hi×23.46×26.92.(2)由题意XN(17.4,692)P(X>μσ)0.8413μσ17.42.6314.77时,满足题意,即合格标准的质量指标值约为14.77.P(X12.14)P(Xμ2σ)0.50.9772,可知每件产品的质量指标值不低于12.14的事件概率为0.9772,记这1000件产品的质量指标值不低于12.14的件数为ξ,则ξB(103p),其中p0.9772恰有k件产品的质量指标值不低于12.14的事件概率P(ξk)Cpk(1p)1000k,则>1,解得k<1001p978.17720k978时,P(ξk1)<P(ξk),当979k1000时,P(ξk1)>P(ξk),由此可知,在这1000件产品中,质量指标值不低于12.14的件数最有可能是978.答题启示本题考查正态分布、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.此题告诉我们必须全面掌握每一个知识点.对点训练(2019·山东青岛模拟)爱国,是人世间最深层、最持久的情感,是一个人的立德之源、立功之本.在中华民族几千年绵延发展的历史长河中,爱国主义始终是激昂的主旋律.爱国汽车公司拟对东方红款高端汽车发动机进行科技改造,根据市场调研与模拟,得到科技改造投入x(亿元)与科技改造直接收益y(亿元)的数据统计如下:x2346810132122232425y1322314250565868.56867.566660<x17时,建立了yx的两个回归模型:模型4.1x11.8;模型21.314.4x>17时,yx满足的线性回归方程为=-0.7xa.(1)根据下列表格中的数据,比较当0<x17时模型的相关指数R2,并选择拟合精度更高、更可靠的模型预测对东方红款汽车发动机科技改造的投入为17亿元时的直接收益;回归模型模型模型回归方程4.1x11.821.314.4(yii)2182.479.2(2)为鼓励科技创新,当科技改造的投入不少于20亿元时,国家给予公司补贴收益10亿元,以回归方程为预测依据,比较科技改造投入17亿元与20亿元时公司实际收益的大小;(3)科技改造后,东方红款汽车发动机的热效率X大幅提高,X服从正态分布N(0.52,0.012),公司对科技改造团队的奖励方案如下:若发动机的热效率不超过50%,不予奖励;若发动机的热效率超过50%但不超过53%,每台发动机奖励2万元;若发动机的热效率超过53%,每台发动机奖励5万元.求每台发动机获得奖励的数学期望.附:刻画回归效果的相关指数R214.1.用最小二乘法求线性回归方程ybxa的系数公式 .随机变量ξ服从正态分布N(μσ2),则P(μσ<ξ<μσ)0.6826P(μ2σ<ξ<μ2σ)0.9544.解 (1)由表格中的数据,有182.4>79.2,即>所以模型R2小于模型,说明回归模型刻画的拟合效果更好.所以当x17亿元时,科技改造直接收益的预测值为21.3×14.421.3×4.114.472.93(亿元)(2)由已知,得203,所以23607.2,则67.2.所以a0.767.20.7×2383.3,即当x>17亿元时,yx满足的线性回归方程为=-0.7x83.3.所以当x20亿元时,科技改造直接收益的预测值=-0.7×2083.369.3.x20亿元时,实际收益的预测值为69.31079.3亿元>72.93亿元,即科技改造投入20亿元时,公司的实际收益的更大.(3)因为P(0.520.02<X<0.520.02)0.9544所以P(X>0.50)0.9772P(X0.50)0.0228P(0.520.01<X<0.520.01)0.6826所以P(X>0.53)0.1587P(0.50<X0.53)0.97720.15870.8185.设每台发动机获得的奖励为Y(万元),则Y的分布列如下,Y025P0.02280.81850.1587则每台发动机获得奖励的数学期望为E(Y)0×0.02282×0.81855×0.15872.4305(万元)=-1200金.

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