2024-2025學(xué)年高中數(shù)學(xué)第二章隨機變量及其分布2.2.3獨立重復(fù)試驗與二項分布學(xué)案含解析新人教A版選修2-31_第1頁
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文檔簡介

PAGE2.2.3獨立重復(fù)試驗與二項分布自主預(yù)習(xí)·探新知情景引入在學(xué)校組織的高二籃球競賽中,通過小組循環(huán),甲、乙兩班順當(dāng)進入最終的決賽.在每一場競賽中,甲班取勝的概率為0.6,乙班取勝的概率是0.4,競賽既可以采納三局兩勝制,又可以采納五局三勝制.假如你是甲班的一名同學(xué).你認(rèn)為采納哪種賽制對你班更有利?新知導(dǎo)學(xué)1.n次獨立重復(fù)試驗(1)定義一般地,在相同條件下__重復(fù)地做n次試驗__,各次試驗的結(jié)果相互獨立,稱為n次獨立重復(fù)試驗.(2)公式一般地,在n次獨立重復(fù)試驗中,設(shè)事務(wù)A發(fā)生的次數(shù)為X,在每次試驗中事務(wù)A發(fā)生的概率為p,那么在n次獨立重復(fù)試驗中,事務(wù)A恰好發(fā)生k次的概率為Pn(k)=__Ceq\o\al(k,n)pk(1-p)n-k,(k=0,1,2,…,n)__.2.二項分布若將事務(wù)A發(fā)生的次數(shù)設(shè)為X,發(fā)生的概率為p,不發(fā)生的概率q=1-p,那么在n次獨立重復(fù)試驗中,事務(wù)A恰好發(fā)生k次的概率是P(X=k)=__Ceq\o\al(k,n)pkqn-k__(k=0,1,2,…,n),于是得到X的分布列X01…k…nPCeq\o\al(0,n)p0qnCeq\o\al(1,n)p1qn-1…Ceq\o\al(k,n)pkqn-k…Ceq\o\al(n,n)pnq0由于表中其次行恰好是二項式綻開式(q+p)n=Ceq\o\al(0,n)p0qn+Ceq\o\al(1,n)p1qn-1+…+Ceq\o\al(k,n)pkqn-k+…+Ceq\o\al(n,n)pnq0各對應(yīng)項的值,稱這樣的離散型隨機變量X聽從參數(shù)為n,p的二項分布,記作__X~B(n,p)__.預(yù)習(xí)自測1.口袋里放有大小相同的兩個紅球和一個白球,有放回地每次摸取一個球,定義數(shù)列{an}:an=eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(-1第n次摸取紅球,,1第n次摸取白球,))假如Sn為數(shù)列{an}的前n項和,那么S7=3的概率為(B)A.Ceq\o\al(5,7)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)))5 B.Ceq\o\al(2,7)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)))2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))5C.Ceq\o\al(5,7)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))5 D.Ceq\o\al(2,7)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)))2[解析]由S7=3知,在7次摸球中有2次摸取紅球,5次摸取白球,而每次摸取紅球的概率為eq\f(2,3),摸取白球的概率為eq\f(1,3),則S7=3的概率為Ceq\o\al(2,7)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)))2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))5,故選B.2.(2024·全國二模)設(shè)隨機變量X~B(6,eq\f(1,2)),則P(X=3)=__eq\f(5,16)__.[解析]∵隨機變量X聽從二項分布B(6,eq\f(1,2)),∴P(X=3)=Ceq\o\al(3,6)(eq\f(1,2))3×(1-eq\f(1,2))3=eq\f(5,16).故答案為eq\f(5,16).互動探究·攻重難互動探究解疑獨立重復(fù)試驗概率的求法典例1某氣象站天氣預(yù)報的精確率為80%,計算(結(jié)果保留到小數(shù)點后面第2位).(1)5次預(yù)報中恰有2次精確的概率;(2)5次預(yù)報中至少有2次精確的概率;(3)5次預(yù)報中恰有2次精確,且其中第3次預(yù)報精確的概率.[思路分析]由于5次預(yù)報是相互獨立的,且結(jié)果只有兩種(精確或不精確),符合獨立重復(fù)試驗?zāi)P停甗解析](1)記預(yù)報一次精確為事務(wù)A,則P(A)=0.8.5次預(yù)報相當(dāng)于5次獨立重復(fù)試驗,2次精確的概率為P=Ceq\o\al(2,5)×0.82×0.23=0.0512≈0.05,因此5次預(yù)報中恰有2次精確的概率約為0.05.(2)“5次預(yù)報中至少有2次精確”的對立事務(wù)為“5次預(yù)報全部不精確或只有1次精確”,其概率為P=Ceq\o\al(0,5)×(0.2)5+Ceq\o\al(1,5)×0.8×0.24=0.00672≈0.01.所以所求概率為1-P=1-0.01=0.99.所以5次預(yù)報中至少有2次精確的概率約為0.99.(3)說明第1,2,4,5次中恰有1次精確.所以概率為P=Ceq\o\al(1,4)×0.8×0.23×0.8=0.02048≈0.02,所以恰有2次精確,且其中第3次預(yù)報精確的概率約為0.02.『規(guī)律總結(jié)』1.運用獨立重復(fù)試驗的概率公式求概率,首先要分析問題中涉及的試驗是否為n次獨立重復(fù)試驗,若不符合條件,則不能應(yīng)用公式求解.2.解決這類實際問題往往需把所求的概率的事務(wù)分拆為若干個事務(wù),而這每個事務(wù)均為獨立重復(fù)試驗.3.在解題時,還要留意“正難則反”的思想的運用,即利用對立事務(wù)來求其概率.┃┃跟蹤練習(xí)1__■甲、乙兩人各射擊一次,擊中目標(biāo)的概率分別是eq\f(2,3)和eq\f(3,4),假設(shè)每次射擊是否擊中目標(biāo),相互之間沒有影響.(結(jié)果須用分?jǐn)?shù)作答)(1)求甲射擊3次,至少1次未擊中目標(biāo)的概率;(2)求兩人各射擊2次,甲恰好擊中目標(biāo)2次且乙恰好擊中目標(biāo)1次的概率.[解析](1)記“甲射擊3次至少有1次未擊中目標(biāo)”為事務(wù)A1,由題意,射擊3次,相當(dāng)于3次獨立重復(fù)試驗,故P(A1)=1-P(eq\x\to(A)1)=1-(eq\f(2,3))3=eq\f(19,27).(2)記“甲射擊2次,恰有2次擊中目標(biāo)”為事務(wù)A2,“乙射擊2次,恰有1次擊中目標(biāo)”為事務(wù)B2,則P(A2)=Ceq\o\al(2,2)×(eq\f(2,3))2=eq\f(4,9),P(B2)=Ceq\o\al(1,2)×(eq\f(3,4))1×(1-eq\f(3,4))=eq\f(3,8),由于甲、乙射擊相互獨立,故P(A2B2)=eq\f(4,9)×eq\f(3,8)=eq\f(1,6).二項分布典例2在一次數(shù)學(xué)考試中,第14題和第15題為選做題.規(guī)定每位考生必需且只需在其中選做一題.設(shè)4名考生選做這兩題的可能性均為eq\f(1,2).(1)求其中甲、乙2名考生選做同一道題的概率;(2)設(shè)這4名考生中選做第15題的考生人數(shù)為X,求X的分布列.[思路分析](1)設(shè)出事務(wù),利用獨立事務(wù)求概率;(2)依據(jù)求分布列的步驟寫出分布列即可.[解析](1)設(shè)事務(wù)A表示“甲選做第14題”,事務(wù)B表示“乙選做第14題”,則甲、乙2名考生選做同一道題的事務(wù)為“AB∪eq\x\to(A)eq\x\to(B)”,且事務(wù)A,B相互獨立.所以P(AB∪eq\x\to(A)eq\x\to(B))=P(A)P(B)+P(eq\x\to(A))P(eq\x\to(B))=eq\f(1,2)×eq\f(1,2)+(1-eq\f(1,2))×(1-eq\f(1,2))=eq\f(1,2).(2)隨機變量X的可能取值為0,1,2,3,4.且X~B(4,eq\f(1,2)).所以P(X=k)=Ceq\o\al(k,4)(eq\f(1,2))k(1-eq\f(1,2))4-k=Ceq\o\al(k,4)(eq\f(1,2))4(k=0,1,2,3,4).所以變量X的分布列為:X01234Peq\f(1,16)eq\f(1,4)eq\f(3,8)eq\f(1,4)eq\f(1,16)『規(guī)律總結(jié)』解決二項分布問題的兩個關(guān)注點(1)對于公式P(X=k)=Ceq\o\al(k,n)pk(1-p)n-k(k=0,1,2,…,n)必需在滿意“獨立重復(fù)試驗”時才能運用,否則不能應(yīng)用該公式.(2)推斷一個隨機變量是否聽從二項分布,關(guān)鍵有兩點:一是對立性,即一次試驗中,事務(wù)發(fā)生與否兩者必有其一;二是重復(fù)性,即試驗獨立重復(fù)地進行了n次.┃┃跟蹤練習(xí)2__■一袋中有大小相同的4個紅球和2個白球,給出下列結(jié)論:①從中任取3球,恰有一個白球的概率是eq\f(3,5);②現(xiàn)從中不放回的取球2次,每次任取1球,則在第一次取到紅球后,其次次再次取到紅球的概率為eq\f(2,5);③從中有放回的取球3次,每次任取一球,則至少有一次取到紅球的概率為eq\f(26,27).其中全部正確結(jié)論的序號是__①③__.[解析]①恰有一個白球的概率P=eq\f(C\o\al(1,2)C\o\al(2,4),C\o\al(3,6))=eq\f(3,5),故①正確;②設(shè)A={第一次取到紅球},B={其次次取到紅球}.則P(A)=eq\f(2,3),P(A∩B)=eq\f(4×3,6×5)=eq\f(2,5),∴P(B|A)=eq\f(PA∩B,PA)=eq\f(3,5),故②錯;③每次取到紅球的概率P=eq\f(2,3),所以至少有一次取到紅球的概率為1-(1-eq\f(2,3))3=eq\f(26,27),故③正確.二項分布的應(yīng)用典例3高二(1)班的一個探討性學(xué)習(xí)小組在網(wǎng)上查知,某珍稀植物種子在肯定條件下發(fā)芽勝利的概率為eq\f(1,3),該探討性學(xué)習(xí)小組又分成兩個小組進行驗證性試驗.(1)第一小組做了5次這種植物種子的發(fā)芽試驗(每次均種下一粒種子),求他們的試驗中至少有3次發(fā)芽勝利的概率;(2)其次小組做了若干次發(fā)芽試驗(每次均種下一粒種子),假如在一次試驗中種子發(fā)芽勝利就停止試驗,否則將接著進行下次試驗,直到種子發(fā)芽勝利為止,但試驗的次數(shù)最多不超過5次.求其次小組所做種子發(fā)芽試驗的次數(shù)ξ的概率分布列.[解析](1)至少有3次發(fā)芽勝利,即有3次、4次、5次發(fā)芽勝利.設(shè)5次試驗中種子發(fā)芽勝利的次數(shù)為隨機變量X,則P(X=3)=Ceq\o\al(3,5)×(eq\f(1,3))3×(eq\f(2,3))2=eq\f(40,243),P(X=4)=Ceq\o\al(4,5)×(eq\f(1,3))4×eq\f(2,3)=eq\f(10,243),P(X=5)=Ceq\o\al(5,5)×(eq\f(1,3))5×(eq\f(2,3))0=eq\f(1,243).所以至少有3次發(fā)芽勝利的概率P=P(X=3)+P(X=4)+P(X=5)=eq\f(40,243)+eq\f(10,243)+eq\f(1,243)=eq\f(51,243)=eq\f(17,81).(2)隨機變量ξ的可能取值為1,2,3,4,5.P(ξ=1)=eq\f(1,3),P(ξ=2)=eq\f(2,3)×eq\f(1,3)=eq\f(2,9),P(ξ=3)=(eq\f(2,3))2×eq\f(1,3)=eq\f(4,27),P(ξ=4)=(eq\f(2,3))3×eq\f(1,3)=eq\f(8,81),P(ξ=5)=(eq\f(2,3))4×1=eq\f(16,81).所以ξ的分布列為:ξ12345Peq\f(1,3)eq\f(2,9)eq\f(4,27)eq\f(8,81)eq\f(16,81)『規(guī)律總結(jié)』1.二項分布的簡潔應(yīng)用是求n次獨立重復(fù)試驗中事務(wù)A恰好發(fā)生k次的概率.解題的一般思路是:依據(jù)題意設(shè)出隨機變量→分析出隨機變量聽從二項分布→找到參數(shù)n,p→寫出二項分布的分布列→將k值代入求解概率.2.利用二項分布求解“至少”“至多”問題的概率,其實質(zhì)是求在某一取值范圍內(nèi)的概率,一般轉(zhuǎn)化為幾個互斥事務(wù)發(fā)生的概率的和,或者利用對立事務(wù)求概率.┃┃跟蹤練習(xí)3__■在一次抗洪搶險中,打算用射擊的方法引爆從上游漂流而下的一個巨大汽油罐,已知只有5發(fā)子彈,第一次命中只能使汽油流出,其次次命中才能引爆,每次射擊是相互獨立的,且命中的概率都是eq\f(2,3).(1)求油罐被引爆的概率;(2)假如引爆或子彈打光則停止射擊,設(shè)射擊次數(shù)為X,求X不小于4的概率.[解析](1)油罐引爆的對立事務(wù)為油罐沒有引爆,沒有引爆的可能狀況是:射擊5次只擊中一次或一次也沒有擊中,故該事務(wù)的概率為Ceq\o\al(1,5)·eq\f(2,3)·(eq\f(1,3))4+(eq\f(1,3))5,所以所求的概率為1-[Ceq\o\al(1,5)·eq\f(2,3)·(eq\f(1,3))4+(eq\f(1,3))5]=eq\f(232,243).(2)當(dāng)X=4時記為事務(wù)A,則P(A)=Ceq\o\al(1,3)·eq\f(2,3)·(eq\f(1,3))2·eq\f(2,3)=eq\f(4,27).當(dāng)X=5時,意味著前4次射擊只擊中一次或一次也未擊中,記為事務(wù)B.則P(B)=Ceq\o\al(1,4)·eq\f(2,3)·(eq\f(1,3))3+(eq\f(1,3))4=eq\f(1,9),∴射擊次數(shù)不小于4的概率為eq\f(4,27)+eq\f(1,9)=eq\f(7,27).學(xué)科核心素養(yǎng)二項分布中的概率最值問題一般地,若隨機變量X聽從二項分布,即X~B(n,p),其中0<p<1,則有eq\f(PX=k,PX=k-1)=eq\f(n-k+1p,k1-p)=1+eq\f(n+1p-k,k1-p)(1≤k≤n),當(dāng)且僅當(dāng)k≤(n+1)p時,P(X=k)≥P(X=k-1),所以P(X=k)在(n+1)p的左側(cè)嚴(yán)格遞增,右側(cè)嚴(yán)格遞減,故有:(1)假如(n+1)p>n,則當(dāng)k取n時,P(X=k)最大.(2)假如(n+1)p是不超過n的正整數(shù),則當(dāng)k=(n+1)p-1和(n+1)p時,P(X=k)都達到最大值.(3)假如(n+1)p是不超過n的非整數(shù),那么當(dāng)k=[(n+1)p]時([(n+1)p]表示不超過(n+1)p的最大整數(shù)),P(X=k)最大.典例4某一批產(chǎn)品的合格率為95%,那么在取出其中的20件產(chǎn)品中,最有可能有幾件產(chǎn)品合格?[思路分析]設(shè)在取出的20件產(chǎn)品中,合格產(chǎn)品有ξ件,則ξ聽從二項分布,比較P(ξ=k-1)與P(ξ=k)的大小得出結(jié)論.[解析]設(shè)在取出的20件產(chǎn)品中,合格產(chǎn)品有ξ件,則ξ聽從二項分布,即ξ~B(20,0.95),于是恰好有k件產(chǎn)品合格的概率為P(ξ=k)=Ceq\o\al(k,20)×0.95k×0.0520-k(0≤k≤20,k∈N).又eq\f(Pξ=k,Pξ=k-1)=eq\f(C\o\al(k,20)×0.95k×0.0520-k,C\o\al(k-1,20)×0.95k-1×0.0521-k)=eq\f(20-k+1×0.95,k×0.05)=1+eq\f(21×0.95-k,k×0.05)(1≤k≤20,k∈N).于是當(dāng)k<19.95時,P(ξ=k-1)<P(ξ=k);當(dāng)k>19.95時,P(ξ=k-1)>P(ξ=k).從而可知在取出的20件產(chǎn)品中,最有可能有19件合格品.『規(guī)律總結(jié)』求二項分布的最值的方法:①依據(jù)ξ~B(n,p),列出分布列P(ξ=k)=Ceq\o\al(k,n)pk(1-p)n-k,k=0,1,2,3,…,n.②利用比較法(作差或作商)比較P(ξ=k-1)和P(ξ=k)的大?。哿頟(ξ=k)-P(ξ=k-1)≥0或eq\f(Pξ=k,Pξ=k-1)≥1,求出k的取值區(qū)間,此區(qū)間即為P(ξ=k)的單調(diào)增區(qū)間,它的補集即為單調(diào)減區(qū)間.④結(jié)合P(ξ=k)的單調(diào)性確定P(ξ=k)的最大值和對應(yīng)的k的值.┃┃跟蹤練習(xí)4__■一款擊鼓小嬉戲的規(guī)則如下:每盤嬉戲都須要擊鼓三次,每次擊鼓要么出現(xiàn)一次音樂,要么不出現(xiàn)音樂;每盤嬉戲擊鼓三次后,出現(xiàn)一次音樂獲得10分,出現(xiàn)兩次音樂獲得20分,出現(xiàn)三次音樂獲得100分,沒有出現(xiàn)音樂則扣除200分(即獲得-200分).設(shè)每次擊鼓出現(xiàn)音樂的概率為eq\f(1,2),且各次擊鼓出現(xiàn)音樂相互獨立.(1)設(shè)每盤嬉戲獲得的分?jǐn)?shù)為X,求X的分布列;(2)玩三盤嬉戲,至少有一盤出現(xiàn)音樂的概率是多少?[解析](1)X可能的取值為:10,20,100,-200.依據(jù)題意,有P(X=10)=Ceq\o\al(1,3)×(eq\f(1,2))1×(1-eq\f(1,2))2=eq\f(3,8),P(X=20)=Ceq\o\al(2,3)×(eq\f(1,2))2×(1-eq\f(1,2))1=eq\f(3,8),P(X=100)=Ceq\o\al(3,3)×(eq\f(1,2))3×(1-eq\f(1,2))0=eq\f(1,8),P(X=-200)=Ceq\o\al(0,3)×(eq\f(1,2))0×(1-eq\f(1,2))3=eq\f(1,8).所以X的分布列為:X1020100-200Peq\f(3,8)eq\f(3,8)eq\f(1,8)eq\f(1,8)(2)設(shè)“第i盤嬉戲沒有出現(xiàn)音樂”為事務(wù)Ai(i=1,2,3),則P(A1)=P(A2)=P(A3)=P(X=-200)=eq\f(1,8).所以,“三盤嬉戲中至少有一次出現(xiàn)音樂”的概率為1-P(A1A2A3)=1-(eq\f(1,8))3=1-eq\f(1,512)=eq\f(511,512).因此,玩三盤嬉戲至少有一盤出現(xiàn)音樂的概率是eq\f(511,512).易混易錯警示求獨立重復(fù)試驗的概率典例5在將來3天中,某氣象臺預(yù)報每每天氣的精確率為0.8,則在將來3天中,(1)至少有2天預(yù)報精確的概率是多少?(2)至少有一個連續(xù)2天預(yù)報都精確的概率是多少?[錯解](1)0.8×0.8×0.2+0.8×0.8×0.8=0.64,所以至少2天預(yù)報精確的概率為0.64.(2)0.8×0.8×0.2+0.8×0.8×0.8=0.64,所以至少有一個連續(xù)2天預(yù)報都精確的概率為0.64.[辨析]錯誤緣由:對“至少有2天預(yù)報精確”“至少有一個連續(xù)2天”理解有誤,對題意分析不夠透徹.防范措施:精確把握“恰有”“至少有”“至多有”等含義,依據(jù)題意確定事務(wù)發(fā)生的次數(shù)和事務(wù)發(fā)生的概率,再結(jié)合題中條件求解.[正解](1)至少有2天預(yù)報精確的概率為恰有2天和恰有3天預(yù)報精確的概率,即Ceq\o\al(2,3)×0.82×0.2+Ceq\o\al(3,3)×0.83=0.896,所以至少有2天預(yù)報精確的概率為0.896.(2)至少有一個連續(xù)2天預(yù)報都精確,即為恰有一個連續(xù)2天預(yù)報精確或3天預(yù)報精確,概率為2×0.82×0.2+0.83=0.768.所以至少有一個連續(xù)2天預(yù)報都精確的概率為0.768.[誤區(qū)警示]審題不細是解題致誤的主要緣由之一,審題時要仔細分析.弄清條件與結(jié)論,發(fā)掘一切可用信息.┃┃跟蹤練習(xí)5__■(2024·吉林高二質(zhì)檢)某公司是否對某一項目投資,由甲、乙、丙三位決策人投票確定,他們?nèi)硕加小巴狻?、“中立”、“反對”三類票各一張,投票時,每人必需且只能投一張,每人投三類票中的任何一類的概率都是eq\f(1,3),他們的投票相互沒有影響,規(guī)定:若投票結(jié)果中至少有兩張“同意”票,則確定對該項目投資;否則,放棄對該項目的投資.(1)求該公司確定對該項目投資的概率;(2)求該公司放棄對該項目投資且投票結(jié)果中最多有一張“中立”票的概率.[解析](1)該公司確定對該項目投資的概率為P=Ceq\o\al(2,3)(eq\f(1,3))2×eq\f(2,3)+Ceq\o\al(3,3)(eq\f(1,3))3=eq\f(7,27).(2)該公司放棄對該項目投資且投票結(jié)果中最多有一張“中立”票,有以下四種情形:“同意”票張數(shù)“中立”票張數(shù)“反對”票張數(shù)事務(wù)A003事務(wù)B102事務(wù)C111事務(wù)D012P(A)=Ceq\o\al(3,3)(eq\f(1,3))3=eq\f(1,27),P(B)=Ceq\o\al(1,3)(eq\f(1,3))3=eq\f(1,9),P(C)=Ceq\o\al(1,3)Ceq\o\al(1,2)(eq\f(1,3))3=eq\f(2,9),P(D)=Ceq\o\al(1,3)(eq\f(1,3))3=eq\f(1,9).∵A,B,C,D互斥,∴P(A∪B∪C∪D)=P(A)+P(B)+P(C)+P(D)=eq\f(13,27).課堂達標(biāo)·固基礎(chǔ)1.下列隨機變量X不聽從二項分布的是(B)A.投擲一枚勻稱的骰子5次,X表示點數(shù)為6出現(xiàn)的次數(shù)B.某射手射中目標(biāo)的概率為p,設(shè)每次射擊是相互獨立的,X為從起先射擊到擊中目標(biāo)所須要的射擊次數(shù)C.實力相等的甲、乙兩選手進行了5局乒乓球競賽,X表示甲獲勝的次數(shù)D.某星期內(nèi),每次下載某網(wǎng)站數(shù)據(jù)被病毒感染的概率為0.3,X表示下載n次數(shù)據(jù)電腦被病毒感染的次數(shù)[解析]選項A,試驗出現(xiàn)的結(jié)果只有兩種:點數(shù)為6和點數(shù)不為6,且點數(shù)為6的概率在每一次試驗中都為eq\f(

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