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4.3 超几何分布

随机变量及其分布 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 从有限总体中不放回抽取,关注其中特定类别元素个数的离散型随机变量分布。

从哪来 基于 3.2 组合数 计算样本空间与事件数,结合 5.1 独立事件的定义 辨析“不放回”导致的非独立性。

为什么 因为是不放回抽样,每次抽取后总体构成改变,导致后续抽取概率依赖于前次结果(非独立)。 但由对称性原理,每次抽取到特定类别元素的概率期望值不变。 利用组合数 $\binom{N}{n}$ 计算总样本空间,利用 $\binom{M}{k}\binom{N-M}{n-k}$ 计算包含 $k$ 个特定元素的事件数,比值即为概率。 这避免了逐次计算条件概率的繁琐,直接通过计数原理得到分布律。

讲法
适合:形象思维强、喜欢生活实例的学生 讲法:摸球模型 准备一个不透明盒子,放入 5 个红球、5 个白球。 问:摸 3 个球,恰好摸到 2 个红球的概率是多少? 引导: 1. 总共有多少种摸法? $\binom{10}{3}$ 2. 恰好 2 红 1 白有多少种? 从 5 红选 2 ($\binom{5}{2}$) $\times$ 从 5 白选 1 ($\binom{5}{1}$) 3. 概率 = 满足条件的种数 / 总种数。 强调:因为球被拿走没放回,所以第二次摸球时盒子里只剩 9 个球,这就是“超几何”的核心——总数在变。
讲法
适合:逻辑严密、偏好公式推导的学生 讲法:公式推导与对比 对比二项分布 $B(n, p)$ 与超几何分布 $H(N, M, n)$。 二项分布:有放回,每次独立,$P(X=k) = \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k}$。 超几何分布:不放回,非独立,$P(X=k) = \frac{\binom{M}{k}\binom{N-M}{n-k}}{\binom{N}{n}}$。 推导: - 分子:从 $M$ 个成功品中选 $k$ 个,从 $N-M$ 个失败品中选 $n-k$ 个。 - 分母:从 $N$ 个总体中选 $n$ 个。 指出关键区别:二项分布中 $p$ 是常数;超几何分布中,随着抽取,剩余总体中成功品比例动态变化,因此必须用组合数计数。
讲法
适合:抽象思维强、喜欢数学结构的学生 讲法:对称性与期望值 不直接算概率,先问:抽 $n$ 个球,平均能抽到几个红球? 直觉:红球占比 $M/N$,抽 $n$ 个,平均应为 $n \cdot \frac{M}{N}$。 验证:超几何分布的期望 $E(X) = n \cdot \frac{M}{N}$。 这与二项分布期望相同,但方差不同。 超几何分布方差 $D(X) = n \cdot \frac{M}{N} \cdot \frac{N-M}{N} \cdot \frac{N-n}{N-1}$。 最后一项 $\frac{N-n}{N-1}$ 是有限总体校正因子,小于 1。 解释:因为不放回,样本间负相关(抽到一个红球,下一个抽到红球概率降低),导致波动比独立抽样(二项分布)更小。
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练一道
基础题
袋中有 5 个红球、3 个白球,从中任取 3 个球,求恰好取到 2 个红球的概率。
变式
某批产品共 100 件,其中次品 10 件。现从中随机抽取 5 件进行检验,求其中次品数 $X$ 的分布列,并求 $P(X \le 1)$。
试试手自己判
检测题
一个箱子里有 4 个正品、6 个次品。从中随机抽取 3 个产品,求恰好抽到 2 个正品的概率。
看答案和判分标准
答案:$$ P = \frac{\binom{4}{2}\binom{6}{1}}{\binom{10}{3}} = \frac{6 \times 6}{120} = \frac{36}{120} = \frac{3}{10} $$
判对标准:
1. 正确识别 $N=10, M=4, n=3, k=2$。
2. 正确使用超几何分布公式结构 $\frac{\binom{M}{k}\binom{N-M}{n-k}}{\binom{N}{n}}$。
3. 计算结果准确为 $0.3$ 或 $\frac{3}{10}$。
4. 若使用二项分布公式 $C_3^2 (0.4)^2 (0.6)^1$ 则判错,因为这是有放回情况。
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