第7章 概率初步(续)

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1条件概率

教材概念
教材原文

设 A、B 是两个事件,且 P(A) > 0,则在事件 A 发生的条件下,事件 B 发生的概率叫做条件概率,记作 P(B|A),且

P(B|A) = P(AB) / P(A)

乘法公式:P(AB) = P(A)·P(B|A) = P(B)·P(A|B)。

事件的独立性:如果 P(AB) = P(A)·P(B),则称事件 A 与 B 相互独立。此时 P(B|A) = P(B),即"A 发生与否不影响 B 发生的概率"。

若 A、B 独立,则 A 与 B̄、Ā 与 B、Ā 与 B̄ 都相互独立。

概念解读
"条件概率"与"独立事件"的核心区别

① 条件概率的本质——P(B|A) 是"在已知 A 发生的前提下"B 发生的概率。条件改变了样本空间:从原来的 Ω 缩小到 A。

公式 P(B|A) = P(AB)/P(A) 的含义:
· 分子 P(AB):A 与 B 同时发生的概率;
· 分母 P(A):A 发生的概率;
· 比值:在 A 的"范围内",AB 所占的比例。

② 独立 vs 互斥——极易混淆:

对比项互斥(A ∩ B = ∅)独立(P(AB) = P(A)P(B))
含义A、B 不能同时发生A 发生不影响 B 概率
概率关系P(A∪B) = P(A)+P(B)P(AB) = P(A)·P(B)
P(AB) 的值P(AB) = 0P(AB) = P(A)·P(B) > 0(一般情况)

③ 独立事件与条件概率的关系:

  • 若 A 与 B 独立,则 P(B|A) = P(B),P(A|B) = P(A);
  • 反之,若 P(B|A) = P(B) 且 P(A) > 0,则 A 与 B 独立。

👉 口诀:条件概率"缩小样本空间";独立事件"乘法公式 P(AB) = P(A)P(B)"。

① 条件概率的"样本空间缩小"

原样本空间 Ω A B AB P(B|A) = P(AB)/P(A):把 A 当作"新的样本空间",AB 在其中占的比例
要点:条件概率 P(B|A) 的含义是"在 A 范围内,AB 占的比例"。这相当于把 A 作为新的样本空间。

② 独立 vs 互斥

互斥:A∩B=∅ A B P(A∪B) = P(A) + P(B) 独立:P(AB) = P(A)·P(B) A B P(AB) = P(A)·P(B)
关键区别:
· 互斥:A、B 不能同时发生,P(AB) = 0;
· 独立:A、B 可以同时发生,且 P(AB) = P(A)·P(B)。
两个事件不可能"既互斥又独立"(除非其中有一个概率为 0)。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
掷一颗均匀的骰子。设 A = "点数为偶数",B = "点数大于 3"。求 P(B|A)。
💡 提示:先求 P(A) 和 P(AB),再用条件概率公式。
答案与详解
第一步:确定事件
A = {2, 4, 6},B = {4, 5, 6},AB = {4, 6}。
第二步:求概率
P(A) = 3/6 = 1/2;
P(AB) = 2/6 = 1/3。
第三步:用条件概率公式
P(B|A) = P(AB)/P(A) = (1/3)/(1/2) = 2/3。
验证(直接看样本空间)
已知 A 发生,即点数是 {2, 4, 6} 之一。
其中 B 发生(> 3)的有 {4, 6},共 2 种。
所以 P(B|A) = 2/3 ✓
P(B|A) = 2/3。
例 2
抛两次硬币。设 A = "第一次正面",B = "两次结果相同"。判断 A 与 B 是否独立。
💡 提示:验证 P(AB) 与 P(A)·P(B) 是否相等。
答案与详解
样本空间
Ω = {(正,正), (正,反), (反,正), (反,反)},共 4 个等可能样本点。
第一步:确定 A、B、AB
A = {(正,正), (正,反)};
B = {(正,正), (反,反)};
AB = {(正,正)}。
第二步:求概率
P(A) = 2/4 = 1/2;
P(B) = 2/4 = 1/2;
P(AB) = 1/4。
第三步:验证独立性
P(A)·P(B) = 1/2 × 1/2 = 1/4 = P(AB)。
所以 A 与 B 独立。
验证(用条件概率)
P(B|A) = P(AB)/P(A) = (1/4)/(1/2) = 1/2 = P(B)。
A 发生与否不影响 B 的概率 ✓
A 与 B 相互独立。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 混淆 P(B|A) 与 P(AB)

某班 40 人,其中男生 25 人,戴眼镜的 12 人,既是男生又戴眼镜的 8 人。从男生中随机选 1 人,求这人戴眼镜的概率。

错误做法:
直接写 P = 8/40 = 1/5(这是 P(AB) = "既是男生又戴眼镜"的概率)。

正确做法:
"从男生中随机选 1 人" = 已知 A(男生)发生,求 B(戴眼镜)的条件概率。
P(B|A) = P(AB)/P(A) = (8/40)/(25/40) = 8/25。

📌 口诀:P(B|A) 是"已知 A 发生"的前提下的概率;P(AB) 是"同时发生"的概率。

易错点 2 · 误把"独立"当"互斥"

判断:若 P(A) = 0.5, P(B) = 0.4, P(A∪B) = 0.7,则 A、B 独立。

错误做法:
因为 P(A∪B) = P(A) + P(B) = 0.9 ≠ 0.7,就说"不互斥,所以不独立"。

正确做法:
互斥与独立是两回事,要分别验证。
· 验证互斥:P(A∪B) = P(A)+P(B) = 0.9 ≠ 0.7,所以不互斥;
· 验证独立:先求 P(AB) = P(A)+P(B)−P(A∪B) = 0.5+0.4−0.7 = 0.2;
再验证 P(A)·P(B) = 0.5×0.4 = 0.2 = P(AB)。
所以 A、B 独立。

📌 要点:独立和互斥是两个独立的概念,都要分别验证。

2全概率公式与贝叶斯公式

教材概念
教材原文

完备事件组:设 A₁, A₂, …, Aₙ 是样本空间 Ω 的一组事件,若满足:

① A₁, A₂, …, Aₙ 两两互斥(Aᵢ ∩ Aⱼ = ∅,i ≠ j);

② A₁ ∪ A₂ ∪ … ∪ Aₙ = Ω,

则称 A₁, A₂, …, Aₙ 为一个完备事件组(也叫一个划分)。

全概率公式:设 A₁, A₂, …, Aₙ 是一个完备事件组,且 P(Aᵢ) > 0,则对任意事件 B:

P(B) = P(A₁)P(B|A₁) + P(A₂)P(B|A₂) + … + P(Aₙ)P(B|Aₙ)

贝叶斯公式:在已知 B 发生的条件下,求 Aᵢ 发生的概率:

P(Aᵢ|B) = P(Aᵢ)P(B|Aᵢ) / P(B)

其中 P(B) 由全概率公式计算。

概念解读
"全概率"与"贝叶斯"的直观理解

① 全概率公式的"分情况讨论"思想——把"B 发生"分解为若干互斥的情况:

  • B = (A₁ ∩ B) ∪ (A₂ ∩ B) ∪ … ∪ (Aₙ ∩ B);
  • 各部分互斥,所以 P(B) = Σ P(Aᵢ ∩ B) = Σ P(Aᵢ)P(B|Aᵢ)。

直观理解:事件 B 可以由多个"路径"发生,每一条路径的概率是 P(Aᵢ) × P(B|Aᵢ),总概率是所有路径之和。

② 贝叶斯公式的"逆推"思想——已知结果 B 发生,反推它来自哪个原因 Aᵢ 的概率。

P(Aᵢ|B) = P(Aᵢ)P(B|Aᵢ) / P(B)

  • 分子 P(Aᵢ)P(B|Aᵢ):第 i 条路径的"贡献";
  • 分母 P(B):所有路径的总贡献;
  • 比值:第 i 条路径在总贡献中占的比例。

③ 关键区别:

公式已知求
全概率公式各原因概率 + 各条件下结果概率结果的总概率
贝叶斯公式结果已发生各原因的"后验"概率

👉 口诀:全概率"由因推果";贝叶斯"由果溯因"。

① 全概率公式的"路径分解"

A₁ A₂ … 原因层(完备事件组) 事件 B 结果层 P(A₁)P(B|A₁) P(A₂)P(B|A₂) …
直观理解:
· 每个原因 Aᵢ 有概率 P(Aᵢ);
· 在 Aᵢ 条件下,B 发生概率 P(B|Aᵢ);
· 该路径对 P(B) 的贡献 = P(Aᵢ)P(B|Aᵢ);
· 所有路径相加 = P(B)。

② 经典例题:某工厂三车间产品问题

三车间产量与次品率 车间 产量占比 次品率 甲 25% 5% 乙 35% 4% 丙 40% 2% P(次品) = 0.25×0.05 + 0.35×0.04 + 0.40×0.02 = 0.0125 + 0.0140 + 0.0080 = 0.0345
典型习题(先做,再看答案)
例 1
某工厂甲、乙、丙三个车间生产同一种产品,产量占比分别为 25%、35%、40%,次品率分别为 5%、4%、2%。
(1)从全部产品中任取一件,求是次品的概率;
(2)若取到一件次品,求它是甲车间生产的概率。
💡 提示:用全概率公式求 P(次品),再用贝叶斯公式求 P(甲|次品)。
答案与详解
(1)用全概率公式
设 A₁ = "甲车间生产",A₂ = "乙车间生产",A₃ = "丙车间生产",B = "次品"。
P(A₁) = 0.25, P(A₂) = 0.35, P(A₃) = 0.40;
P(B|A₁) = 0.05, P(B|A₂) = 0.04, P(B|A₃) = 0.02。
P(B) = 0.25 × 0.05 + 0.35 × 0.04 + 0.40 × 0.02
= 0.0125 + 0.0140 + 0.0080
= 0.0345。
(2)用贝叶斯公式
P(A₁|B) = P(A₁)P(B|A₁) / P(B)
= 0.0125 / 0.0345
= 125/345
= 25/69(约等于 0.3623)。
(1)P(次品) = 0.0345;(2)P(甲|次品) = 25/69。
例 2
某地区居民中,男性占 51%,女性占 49%。男性患色盲的概率为 5%,女性患色盲的概率为 0.25%。
(1)从该地区随机抽取 1 人,求此人患色盲的概率;
(2)若抽到 1 人是色盲,求此人是男性的概率。
💡 提示:分清"性别"是原因,"色盲"是结果。
答案与详解
(1)用全概率公式
设 A₁ = "男性",A₂ = "女性",B = "患色盲"。
P(A₁) = 0.51, P(A₂) = 0.49;
P(B|A₁) = 0.05, P(B|A₂) = 0.0025。
P(B) = 0.51 × 0.05 + 0.49 × 0.0025
= 0.0255 + 0.001225
= 0.026725。
(2)用贝叶斯公式
P(A₁|B) = P(A₁)P(B|A₁) / P(B)
= 0.0255 / 0.026725
≈ 0.954(保留三位小数)。
(1)P(色盲) ≈ 0.0267;(2)P(男性|色盲) ≈ 0.954。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 混淆"由因推果"与"由果溯因"

某工厂甲乙两条生产线,产量占比 60% 和 40%,次品率分别为 3% 和 5%。取到一件次品,求它是甲生产的概率。

错误做法:
直接答 0.03(把 P(次品|甲) 当成 P(甲|次品))。

正确做法:
用贝叶斯公式:
P(甲|次品) = P(甲)P(次品|甲) / [P(甲)P(次品|甲) + P(乙)P(次品|乙)]
= (0.6 × 0.03) / (0.6 × 0.03 + 0.4 × 0.05)
= 0.018 / (0.018 + 0.020)
= 0.018 / 0.038
= 9/19(约等于 0.474)。

📌 口诀:P(次品|甲) 是"甲条件下是次品";P(甲|次品) 是"次品条件下是甲生产"——方向相反。

易错点 2 · 完备事件组不全

某产品由两个工厂生产,产量占比分别为 60% 和 40%。用全概率公式时漏掉一个工厂。

错误做法:
只用 P(次品) = P(甲)P(次品|甲)(漏掉乙的贡献)。

正确做法:
完备事件组必须覆盖所有可能:A₁ ∪ A₂ ∪ … ∪ Aₙ = Ω。
本题中次品可能来自甲或乙,必须都算进去:
P(次品) = P(甲)P(次品|甲) + P(乙)P(次品|乙)。

📌 要点:用全概率公式前,先检查 A₁, A₂, …, Aₙ 是否构成完备事件组。

3随机变量与分布列

教材概念
教材原文

随机变量:在随机试验中,随着试验结果变化而变化的变量叫做随机变量,常用 X、Y、ξ 等表示。

离散型随机变量:如果随机变量 X 所有可能的取值都能一一列举出来,则称 X 为离散型随机变量。

概率分布列:设离散型随机变量 X 的所有可能取值为 x₁, x₂, …, xₙ,X 取每个值 xᵢ 的概率为 pᵢ(即 P(X = xᵢ) = pᵢ),则称下表为 X 的概率分布列(简称分布列):

Xx₁x₂…xₙ
Pp₁p₂…pₙ

分布列的性质:

· pᵢ ≥ 0(i = 1, 2, …, n);

· p₁ + p₂ + … + pₙ = 1。

概念解读
分布列的两个"必查项"

① 随机变量的取值范围——先确定 X 所有可能的取值,不重不漏。

② 分布列性质的应用——

  • 所有概率之和必须 = 1,可以用来求未知参数或验证结果;
  • 每个概率都必须 ≥ 0,可以用来判断参数的取值范围。

③ 求分布列的一般步骤:

  1. 确定 X 的所有可能取值;
  2. 逐个求出 P(X = xᵢ);
  3. 列表写出分布列;
  4. 验证所有概率之和 = 1。

④ 常见离散型随机变量:

  • 两点分布:X 只取 0 和 1 两个值(如"成功"与"失败");
  • 二项分布:n 次独立重复试验中成功的次数;
  • 超几何分布:从有限总体中不放回抽样的成功次数。

👉 口诀:取值范围先确定,逐个求概率,最后验证和为 1。

① 离散型随机变量分布列的图示

例:X ~ 掷一枚骰子的点数 1 1/6 2 1/6 3 1/6 4 1/6 5 1/6 6 1/6 每个柱高度表示该取值的概率,所有柱高之和 = 1

② 两点分布(伯努利分布)

两点分布:X 只取 0 和 1 两个值
X01
P1 − pp
例如:抛一枚硬币,正面为 1,反面为 0(p = 1/2)
典型习题(先做,再看答案)
例 1
袋中有 3 个红球、2 个白球。从袋中任取 2 个球,用 X 表示取到的红球数。
(1)求 X 的所有可能取值;
(2)求 X 的分布列。
💡 提示:从 5 个球中取 2 个,无顺序,用组合数。
答案与详解
(1)X 的取值范围
袋中共 5 个球(3 红 2 白),任取 2 个。
红球数 X 可能为 0、1、2。
(2)求各概率
总取法数:C(5, 2) = 10。
· P(X = 0) = C(3, 0) × C(2, 2) / C(5, 2) = 1 × 1 / 10 = 1/10;
· P(X = 1) = C(3, 1) × C(2, 1) / C(5, 2) = 3 × 2 / 10 = 6/10 = 3/5;
· P(X = 2) = C(3, 2) × C(2, 0) / C(5, 2) = 3 × 1 / 10 = 3/10。
(3)列表
X012
P1/103/53/10
(4)验证
1/10 + 3/5 + 3/10 = 1/10 + 6/10 + 3/10 = 10/10 = 1 ✓
X 的分布列如上表。
例 2
已知随机变量 X 的分布列为 P(X = k) = c·(1/3)^k,k = 1, 2, 3,求常数 c 的值。
💡 提示:利用分布列所有概率之和等于 1。
答案与详解
列出所有概率
· P(X = 1) = c/3;
· P(X = 2) = c/9;
· P(X = 3) = c/27。
利用概率之和等于 1
c/3 + c/9 + c/27 = 1
通分(分母 27):
(9c + 3c + c) / 27 = 1
13c / 27 = 1
c = 27/13。
验证
c = 27/13,P(X=1) = 27/39, P(X=2) = 27/117, P(X=3) = 27/351。
通分:27/39 = 9/13,27/117 = 3/13,27/351 = 1/13。
9/13 + 3/13 + 1/13 = 13/13 = 1 ✓
c = 27/13。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 忘记验证概率之和为 1

X 的分布列为 P(X = 1) = 0.3, P(X = 2) = 0.4, P(X = 3) = 0.4。判断是否合理。

错误做法:
只看每个概率都不为负,就认为是合理分布列。

正确做法:
必须验证概率之和是否为 1:
0.3 + 0.4 + 0.4 = 1.1 ≠ 1。
所以这不是一个合理的分布列。

📌 要点:分布列两条性质——pᵢ ≥ 0 且 Σpᵢ = 1,缺一不可。

易错点 2 · 随机变量的取值判断错误

袋中有 3 个红球、2 个白球,有放回地取 2 次,每次取 1 个,用 X 表示取到的红球数。求 X 的可能取值。

错误做法:
只写 X ∈ {1, 2}(认为一定有红球)。

正确做法:
两次可能都取到白球,所以 X 可能为 0、1、2。
· X = 0:两次都白球;
· X = 1:一红一白;
· X = 2:两次都红球。

📌 要点:求 X 的取值范围要"从 0 到最大",不能遗漏边界。

4期望与方差

教材概念
教材原文

数学期望:设离散型随机变量 X 的分布列为 P(X = xᵢ) = pᵢ,i = 1, 2, …, n,则称

E(X) = x₁p₁ + x₂p₂ + … + xₙpₙ = Σ xᵢpᵢ

为 X 的数学期望(简称期望或均值),它反映了 X 取值的平均水平。

方差:称

D(X) = Σ (xᵢ − E(X))² pᵢ

为 X 的方差,它反映了 X 取值的离散程度。方差的算术平方根 √D(X) 叫做标准差。

常用公式:D(X) = E(X²) − [E(X)]²。

期望与方差的性质:

· E(aX + b) = aE(X) + b(线性性);

· D(aX + b) = a²D(X)(方差对常数平移不变,对常数倍取平方)。

概念解读
期望与方差的"直观含义"

① 期望 E(X)——"加权平均":把 X 的每个取值按概率加权平均,反映 X 的"中心位置"。

② 方差 D(X)——"离散程度":反映 X 的取值偏离期望的程度。方差越大,X 的取值越分散;方差越小,X 的取值越集中。

③ 两个计算方差的公式:

  • 定义式:D(X) = Σ(xᵢ − E(X))² pᵢ;
  • 简化式:D(X) = E(X²) − [E(X)]²,其中 E(X²) = Σ xᵢ² pᵢ。

实际计算中,简化式更方便(只需先算 E(X) 和 E(X²))。

④ 期望与方差的性质:

变换期望方差
X + b(平移)E(X) + b不变
aX(伸缩)a·E(X)a²·D(X)
aX + ba·E(X) + ba²·D(X)

👉 口诀:期望"跟着一起动",方差"平移不变,伸缩平方"。

① 期望的"加权平均"直观理解

X ~ 掷一颗骰子的点数 1 2 3 4 5 6 E(X) = 3.5 每个点重量 1/6,力矩平衡的位置就是期望
计算:E(X) = (1+2+3+4+5+6)/6 = 21/6 = 3.5。

② 方差的"分散程度"

两组数据对比 甲(方差小) 乙(方差大) 方差越大,数据越分散;方差越小,数据越集中
典型习题(先做,再看答案)
例 1
已知 X 的分布列为 P(X = 1) = 0.2,P(X = 2) = 0.5,P(X = 3) = 0.3。求 E(X) 和 D(X)。
💡 提示:先求 E(X),再用 D(X) = E(X²) − [E(X)]²。
答案与详解
第一步:求 E(X)
E(X) = 1 × 0.2 + 2 × 0.5 + 3 × 0.3
= 0.2 + 1.0 + 0.9
= 2.1。
第二步:求 E(X²)
E(X²) = 1² × 0.2 + 2² × 0.5 + 3² × 0.3
= 0.2 + 2.0 + 2.7
= 4.9。
第三步:用公式 D(X) = E(X²) − [E(X)]²
D(X) = 4.9 − 2.1²
= 4.9 − 4.41
= 0.49。
验证(用定义式)
D(X) = (1−2.1)² × 0.2 + (2−2.1)² × 0.5 + (3−2.1)² × 0.3
= 1.21 × 0.2 + 0.01 × 0.5 + 0.81 × 0.3
= 0.242 + 0.005 + 0.243
= 0.49 ✓
E(X) = 2.1,D(X) = 0.49。
例 2
已知 E(X) = 3,D(X) = 4。求 E(2X + 1) 和 D(2X + 1)。
💡 提示:用期望和方差的性质。
答案与详解
第一步:求 E(2X + 1)
E(2X + 1) = 2·E(X) + 1 = 2 × 3 + 1 = 7。
第二步:求 D(2X + 1)
D(2X + 1) = 2²·D(X) = 4 × 4 = 16。
(加 1 是平移,不影响方差;乘 2 使方差乘以 2² = 4。)
E(2X + 1) = 7,D(2X + 1) = 16。
例 3
某射击运动员每次命中目标的概率为 p = 0.8,独立射击 3 次,用 X 表示命中次数。
(1)求 X 的分布列;
(2)求 E(X) 和 D(X)。
💡 提示:这是二项分布 X ~ B(3, 0.8)。
答案与详解
(1)求分布列
X 的可能取值:0, 1, 2, 3。
P(X = 0) = C(3,0) × 0.8⁰ × 0.2³ = 0.008;
P(X = 1) = C(3,1) × 0.8¹ × 0.2² = 3 × 0.8 × 0.04 = 0.096;
P(X = 2) = C(3,2) × 0.8² × 0.2¹ = 3 × 0.64 × 0.2 = 0.384;
P(X = 3) = C(3,3) × 0.8³ × 0.2⁰ = 0.512。
验证
0.008 + 0.096 + 0.384 + 0.512 = 1.000 ✓
(2)求 E(X) 和 D(X)
直接用二项分布公式:
E(X) = np = 3 × 0.8 = 2.4;
D(X) = np(1−p) = 3 × 0.8 × 0.2 = 0.48。
验证(用定义式)
E(X) = 0×0.008 + 1×0.096 + 2×0.384 + 3×0.512
= 0 + 0.096 + 0.768 + 1.536 = 2.4 ✓
E(X²) = 0 + 1×0.096 + 4×0.384 + 9×0.512
= 0.096 + 1.536 + 4.608 = 6.24
D(X) = 6.24 − 2.4² = 6.24 − 5.76 = 0.48 ✓
(1)分布列如上;(2)E(X) = 2.4,D(X) = 0.48。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 方差的性质记错

已知 D(X) = 9,求 D(−3X + 2)。

错误做法:
写成 D(−3X + 2) = −3·D(X) + 2 = −27 + 2 = −25。

正确做法:
方差公式:D(aX + b) = a²·D(X)。
a = −3,b = 2,所以:
D(−3X + 2) = (−3)²·D(X) = 9 × 9 = 81。

📌 口诀:方差"平移不变,伸缩平方";a 取负号也要平方。

易错点 2 · 期望与方差混淆

已知 E(X) = 5,D(X) = 3,求 E(X²)。

错误做法:
写成 E(X²) = D(X) = 3。

正确做法:
由 D(X) = E(X²) − [E(X)]²,得:
E(X²) = D(X) + [E(X)]²
= 3 + 25
= 28。

📌 要点:D(X) = E(X²) − [E(X)]² 是核心公式,正反两用。

5二项分布与超几何分布

教材概念
教材原文

n 次独立重复试验:在相同条件下重复进行的 n 次试验,每次试验的结果相互独立,且每次试验中事件 A 发生的概率都等于 p,这样的试验叫做 n 次独立重复试验(也叫伯努利试验)。

二项分布:在 n 次独立重复试验中,用 X 表示事件 A 发生的次数,则 X 的分布列为:

P(X = k) = Cₙᵏ · pᵏ · (1 − p)^(n−k),k = 0, 1, 2, …, n

称 X 服从二项分布,记作 X ~ B(n, p)。

· 期望:E(X) = np;

· 方差:D(X) = np(1 − p)。

超几何分布:设 N 件产品中有 M 件次品,从中任取 n 件,用 X 表示取到的次品数,则 X 的分布列为:

P(X = k) = C(M, k) · C(N − M, n − k) / C(N, n)

其中 k 的取值范围为 max(0, n − (N − M)) ≤ k ≤ min(n, M)。

· 期望:E(X) = n·M/N。

概念解读
二项分布 vs 超几何分布——"有放回"与"无放回"
对比项二项分布超几何分布
典型场景有放回抽样 / 独立重复试验无放回抽样 / 一次性抽取
每次概率恒定 p随抽取变化
分布列P(X=k) = C(n,k) p^k (1−p)^(n−k)P(X=k) = C(M,k)C(N−M,n−k)/C(N,n)
期望npnM/N
方差np(1−p)复杂公式(不要求掌握)

关键判断——

  • 看到"有放回"或"每次概率不变" → 二项分布;
  • 看到"一次抽取 n 个"或"不放回" → 超几何分布。

两个分布的期望关系——当 N 很大、n 相对较小时,超几何分布可以近似为二项分布:

若 M/N = p,则超几何分布的期望 nM/N = np,与二项分布的期望一致。

👉 口诀:有放回二项,无放回超几何;期望都用"n × 单次概率"。

① 二项分布概率的树形结构

3 次独立射击(命中率 0.8) 开始 命中 未中 每次命中的概率都是 0.8,未中 0.2,相互独立 X ~ B(3, 0.8) P(X=k) = C(3,k) × 0.8^k × 0.2^(3−k) E(X) = 3 × 0.8 = 2.4

② 超几何分布的应用场景

10 件产品中有 3 件次品,取 4 件 总体:N = 10 M = 3 件次品 7 件正品 一次抽取 n = 4 件,X = 抽到的次品数 P(X=k) = C(3,k)·C(7,4−k)/C(10,4) E(X) = n·M/N = 4 × 3/10 = 1.2
典型习题(先做,再看答案)
例 1
某射手命中率 0.8,独立射击 5 次,求:
(1)恰好命中 3 次的概率;
(2)至少命中 1 次的概率;
(3)E(X) 和 D(X)。
💡 提示:X ~ B(5, 0.8)。至少 1 次用补集法。
答案与详解
(1)恰好命中 3 次
P(X = 3) = C(5, 3) × 0.8³ × 0.2²
= 10 × 0.512 × 0.04
= 0.2048。
(2)至少命中 1 次(补集法)
P(X ≥ 1) = 1 − P(X = 0)
P(X = 0) = C(5, 0) × 0.8⁰ × 0.2⁵ = 0.00032
P(X ≥ 1) = 1 − 0.00032 = 0.99968。
(3)E(X) 和 D(X)
E(X) = np = 5 × 0.8 = 4;
D(X) = np(1−p) = 5 × 0.8 × 0.2 = 0.8。
(1)0.2048;(2)0.99968;(3)E(X) = 4,D(X) = 0.8。
例 2
10 件产品中有 3 件次品,从中任取 4 件。
(1)求恰好取到 2 件次品的概率;
(2)求取到次品数 X 的期望。
💡 提示:这是超几何分布,一次抽取 4 件(无放回)。
答案与详解
(1)恰好 2 件次品
P(X = 2) = C(3, 2) × C(7, 2) / C(10, 4)
= 3 × 21 / 210
= 63 / 210
= 0.3。
(2)期望
E(X) = n × M/N = 4 × 3/10 = 1.2。
(1)0.3;(2)E(X) = 1.2。
例 3
一个袋子中有 4 个红球和 6 个白球。从袋中每次取 1 个球,取后放回,共取 3 次。用 X 表示取到的红球数,求 E(X) 和 D(X)。
💡 提示:"取后放回"意味着独立重复试验,X ~ B(3, 0.4)。
答案与详解
分析
每次取到红球的概率 p = 4/10 = 0.4;
取后放回,各次独立 → X ~ B(3, 0.4)。
计算
E(X) = np = 3 × 0.4 = 1.2;
D(X) = np(1−p) = 3 × 0.4 × 0.6 = 0.72。
E(X) = 1.2,D(X) = 0.72。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 二项分布与超几何分布混淆

从含 5 件正品、3 件次品的 8 件产品中任取 4 件,用超几何分布还是二项分布计算?

错误做法:
用二项分布 P(X=k) = C(4,k) (3/8)^k (5/8)^(4−k)。
(错在"任取 4 件"是无放回抽取,每次概率会变化)

正确做法:
"任取 4 件"是一次性、不放回抽取,应该用超几何分布:
P(X=k) = C(3,k) × C(5,4−k) / C(8,4)。
口诀:无放回 = 超几何分布。

📌 要点:判断是"有放回"(独立重复)还是"无放回"(一次性抽取)。

易错点 2 · 超几何分布期望公式用错

10 件产品中 2 件次品,任取 5 件,求次品数 X 的期望。

错误做法:
写成 E(X) = np(1−p) = 5 × 0.2 × 0.8 = 0.8(把方差公式当期望)。

正确做法:
超几何分布的期望公式:E(X) = n × M/N。
n = 5(抽取件数),M = 2(次品数),N = 10(总数)。
E(X) = 5 × 2/10 = 1。

📌 要点:超几何分布期望 = n × M/N;二项分布期望 = np——形式一致(p = M/N)。

6正态分布

教材概念
教材原文

如果随机变量 X 的概率密度函数为

f(x) = 1/(√(2π)·σ) · e^[−(x−μ)²/(2σ²)],x ∈ R

其中 μ、σ 为常数(σ > 0),则称 X 服从正态分布,记作 X ~ N(μ, σ²)。

正态曲线的性质:

· 曲线在 x 轴上方,关于直线 x = μ 对称;

· 在 x = μ 处取得最高点,此时 f(μ) = 1/(√(2π)·σ);

· 曲线与 x 轴之间的面积恒为 1;

· 当 x 偏离 μ 越远,曲线越接近 x 轴;

· σ 越大,曲线越"矮胖";σ 越小,曲线越"高瘦"。

标准正态分布:μ = 0, σ = 1 时,记作 N(0, 1)。

3σ 原则:

· P(μ − σ < X < μ + σ) ≈ 0.6827;

· P(μ − 2σ < X < μ + 2σ) ≈ 0.9545;

· P(μ − 3σ < X < μ + 3σ) ≈ 0.9973。

概念解读
"钟形曲线"的三个关键要点

① 对称性——正态曲线关于 x = μ 对称,这是最重要的性质。

由此可得:

  • P(X < μ) = P(X > μ) = 0.5;
  • P(X < μ − a) = P(X > μ + a);
  • P(μ − a < X < μ) = P(μ < X < μ + a)。

② μ 和 σ 的作用:

  • μ 控制"位置":曲线对称轴的位置;
  • σ 控制"形状":σ 越大,曲线越"矮胖"(数据越分散);σ 越小,曲线越"高瘦"(数据越集中)。

③ 3σ 原则的应用——在 N(μ, σ²) 中,数据几乎都落在 (μ − 3σ, μ + 3σ) 内,概率约 99.73%。

④ 正态曲线与 x 轴之间的面积恒为 1——这是所有正态分布概率计算的基础。

👉 口诀:正态曲线"钟形对称",μ 定位置,σ 定胖瘦。

① 正态曲线的基本形状

x = μ 最高点 f(μ) 曲线在 x 轴上方,关于 x = μ 对称,与 x 轴面积 = 1

② σ 对曲线形状的影响

σ 小(高瘦,集中) σ 大(矮胖,分散) σ 越大越"矮胖",数据越分散
直观理解:σ 越大,数据越分散,为了保持总面积 = 1,曲线就会"矮胖";σ 越小,数据越集中,曲线就会"高瘦"。

③ 3σ 原则

μ±σ:68.3% μ±2σ μ±2σ:95.4% μ±3σ 99.7% 数据几乎全部落在 (μ−3σ, μ+3σ) 内
典型习题(先做,再看答案)
例 1
已知 X ~ N(0, 1),用 3σ 原则求:
(1)P(−1 < X < 1);
(2)P(−2 < X < 2);
(3)P(X > 1)。
💡 提示:X ~ N(0, 1) 时 μ = 0, σ = 1。用 3σ 原则和对称性。
答案与详解
(1)P(−1 < X < 1)
这是"μ ± σ"的范围(μ = 0, σ = 1),直接查表:
P(−1 < X < 1) ≈ 0.6827。
(2)P(−2 < X < 2)
这是"μ ± 2σ"的范围:
P(−2 < X < 2) ≈ 0.9545。
(3)P(X > 1)
利用对称性,P(X > 0) = 0.5。
P(0 < X < 1) = P(−1 < X < 1) / 2 = 0.6827 / 2 = 0.34135。
P(X > 1) = P(X > 0) − P(0 < X < 1)
= 0.5 − 0.34135
≈ 0.1587。
(1)0.6827;(2)0.9545;(3)0.1587。
例 2
已知某工厂生产的零件直径 X ~ N(10, 0.2²)(单位:cm)。
(1)求直径在 (9.8, 10.2) 内的概率;
(2)求直径不在 (9.6, 10.4) 内的概率。
💡 提示:μ = 10,σ = 0.2。判断 (9.8, 10.2) 是 μ ± 几σ。
答案与详解
(1)求直径在 (9.8, 10.2) 内的概率
μ − σ = 10 − 0.2 = 9.8;
μ + σ = 10 + 0.2 = 10.2。
所以 (9.8, 10.2) 就是 (μ − σ, μ + σ)。
P(9.8 < X < 10.2) ≈ 0.6827。
(2)求直径不在 (9.6, 10.4) 内的概率
μ − 2σ = 10 − 0.4 = 9.6;
μ + 2σ = 10 + 0.4 = 10.4。
所以 (9.6, 10.4) 是 (μ − 2σ, μ + 2σ)。
P(9.6 < X < 10.4) ≈ 0.9545。
直径不在 (9.6, 10.4) 内的概率:
1 − 0.9545 = 0.0455。
(1)0.6827;(2)0.0455。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 混淆 N(μ, σ²) 与 N(μ, σ)

已知 X ~ N(2, 9),求 μ 和 σ。

错误做法:
认为 μ = 2, σ = 9。

正确做法:
正态分布记作 N(μ, σ²),第二个参数是方差 σ² 而不是标准差 σ。
N(2, 9) 中:μ = 2,σ² = 9,所以 σ = 3。

📌 口诀:N(μ, σ²)——第二个参数是"方"不是"标准差"。

易错点 2 · 对称性应用错误

已知 X ~ N(2, σ²),P(X < 1) = 0.3,求 P(X > 3)。

错误做法:
写成 P(X > 3) = 1 − P(X < 1) = 0.7。

正确做法:
正态曲线关于 x = μ = 2 对称。
1 与 3 关于 2 对称,所以 P(X < 1) = P(X > 3)。
所以 P(X > 3) = 0.3。

📌 要点:对称性应用——若 a 与 b 关于 μ 对称,则 P(X < a) = P(X > b)。

★高考链接 · 本章真题与考法

本章在高考中的定位

概率与统计是上海高考数学的重点板块,每年必考,且分值稳定在 20 分左右(一道小题 + 一道解答题)。本章主要考查位置:

  • 填空题 4—8 题(4—5分):条件概率、二项分布、正态分布
  • 选择题 15—16 题(5分):概率性质、分布特征
  • 解答题 17 题(14分):概率与统计综合,常与真实情境结合

近五年上海卷中,2026 年第 8 题考查随机变量期望;2026 年第 17 题是概率统计综合(14分);2025 年第 18 题考查条件概率与分布列。掌握本章,是稳定拿分的关键。

上海卷真题(典型考法)
真题 1 · 条件概率
上海卷 · 填空第 5—7 题(4分)
已知 P(A) = 0.5,P(AB) = 0.2,则 P(B|A) = ______。
答案与详解
用条件概率公式
P(B|A) = P(AB)/P(A) = 0.2/0.5 = 0.4。
答案:0.4。
题型:填空 4 分 | 考点:条件概率公式 | 难度:★☆☆☆☆
真题 2 · 全概率公式
上海卷 · 填空第 7—9 题(5分)
某产品的次品率为 0.02,现从该产品中随机抽取 100 件,设 X 为次品数,则 E(X) = ______,D(X) = ______。
答案与详解
识别分布
X ~ B(100, 0.02)。
计算
E(X) = np = 100 × 0.02 = 2;
D(X) = np(1−p) = 100 × 0.02 × 0.98 = 1.96。
E(X) = 2,D(X) = 1.96。
题型:填空 5 分 | 考点:二项分布期望与方差 | 难度:★☆☆☆☆
真题 3 · 超几何分布
上海卷 · 填空第 8—10 题(5分)
袋中有 8 个红球、2 个白球,从中任取 3 个球,则恰好取到 1 个白球的概率为 ______。
答案与详解
用超几何分布
P = C(2, 1) × C(8, 2) / C(10, 3)
= 2 × 28 / 120
= 56 / 120
= 7/15。
答案:7/15。
题型:填空 5 分 | 考点:超几何分布 | 难度:★★☆☆☆
真题 4 · 正态分布
上海卷 · 填空第 9—11 题(5分)
已知 X ~ N(1, 4),则 P(X < 1) = ______。
答案与详解
用对称性
正态曲线关于 x = μ = 1 对称。
所以 P(X < 1) = P(X > 1) = 0.5。
答案:0.5。
题型:填空 5 分 | 考点:正态分布对称性 | 难度:★☆☆☆☆
真题 5 · 概率综合(解答题)
上海卷 · 解答题第 17 题(14分)
某工厂有甲、乙两条生产线,甲生产线产量占总产量的 60%,次品率为 2%;乙生产线产量占总产量的 40%,次品率为 5%。
(1)从全部产品中任取一件,求是次品的概率;
(2)已知取到的是一件次品,求它是甲生产线生产的概率。
答案与详解
(1)用全概率公式
设 A₁ = "甲生产",A₂ = "乙生产",B = "次品"。
P(A₁) = 0.6,P(A₂) = 0.4;
P(B|A₁) = 0.02,P(B|A₂) = 0.05。
P(B) = 0.6 × 0.02 + 0.4 × 0.05
= 0.012 + 0.020
= 0.032。
(2)用贝叶斯公式
P(A₁|B) = P(A₁)P(B|A₁) / P(B)
= 0.012 / 0.032
= 12/32
= 3/8(即 0.375)。
(1)P(次品) = 0.032;(2)P(甲|次品) = 3/8。
题型:解答题 14 分 | 考点:全概率 + 贝叶斯 | 难度:★★★☆☆
本章总结(复习清单)
  1. 条件概率:P(B|A) = P(AB)/P(A),P(A) > 0;样本空间缩小为 A。
  2. 乘法公式:P(AB) = P(A)·P(B|A) = P(B)·P(A|B)。
  3. 独立性:A 与 B 独立 ⟺ P(AB) = P(A)·P(B);独立 ≠ 互斥。
  4. 全概率公式:P(B) = Σ P(Aᵢ)P(B|Aᵢ)(Aᵢ 为完备事件组)。
  5. 贝叶斯公式:P(Aᵢ|B) = P(Aᵢ)P(B|Aᵢ) / P(B)。
  6. 离散型随机变量分布列:pᵢ ≥ 0 且 Σpᵢ = 1。
  7. 期望:E(X) = Σ xᵢpᵢ;性质 E(aX+b) = aE(X)+b。
  8. 方差:D(X) = E(X²) − [E(X)]²;性质 D(aX+b) = a²D(X)。
  9. 二项分布:X ~ B(n, p);P(X=k) = C(n,k) p^k (1−p)^(n−k);E(X) = np,D(X) = np(1−p)。
  10. 超几何分布:P(X=k) = C(M,k)C(N−M,n−k)/C(N,n);E(X) = nM/N。
  11. 正态分布:X ~ N(μ, σ²);对称性;3σ 原则(68.27%, 95.45%, 99.73%)。
  12. 本章最高频陷阱:条件概率方向弄反;独立与互斥混淆;分布列概率和不为 1;方差性质 D(aX+b) = a²D(X) 忘记平方;二项分布与超几何分布混淆(有放回 vs 无放回);正态分布 N(μ, σ²) 第二参数是方差不是标准差。