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3.3 期望与方差的计算步骤

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 期望是随机变量取值的加权平均,方差衡量取值偏离期望的程度,计算需分步执行。

从哪来 基于 3.2 组合数(用于计算离散分布概率)和 5.1 独立事件的定义(用于简化复杂概率计算)。

为什么 期望反映“平均水平”,方差反映“波动大小”。计算步骤本质是将随机变量 $X$ 的所有可能取值 $x_i$ 与其对应概率 $p_i$ 结合:先求和得中心($E(X)=\sum x_i p_i$),再求偏差平方的加权和($D(X)=\sum (x_i-E(X))^2 p_i$)。分步是为了避免直接处理复杂代数式导致的错误,利用线性性质可简化运算。

讲法
适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生 强调公式的代数结构。先列出 $X$ 的分布列,然后机械地代入 $E(X)$ 公式计算。接着,利用公式 $D(X)=E(X^2)-[E(X)]^2$ 进行计算。重点讲解为何 $E(X^2)$ 是“平方的期望”而非“期望的平方”,通过展开 $(X-E(X))^2$ 证明该简化公式的合法性,强化代数变形能力。
讲法
适合:直观思维强、对抽象符号敏感的学生 使用“天平”模型。期望是天平的支点,方差是砝码距离支点远近的加权平均。计算时,先找出所有可能的“砝码位置”($x_i$)和“重量”($p_i$)。第一步算重心(期望),第二步算每个砝码偏离重心的距离平方乘以重量再求和。通过具体数值(如掷骰子)演示,让学生看到方差大意味着分布分散,方差小意味着集中。
讲法
适合:计算能力弱、容易出错的学生 采用“表格法”强制分步。画一个四行表格:第一行 $x_i$,第二行 $p_i$,第三行 $x_i p_i$,第四行 $(x_i - E(X))^2 p_i$。规定必须填满前三列才能算第四列。禁止跳步,禁止心算。每算完一列,检查概率之和是否为 1。通过物理动作(填表)降低认知负荷,确保计算过程可视化,减少漏项或符号错误。
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练一道
基础题
随机变量 $X$ 的分布列为: | $X$ | 0 | 1 | 2 | | :--- | :--- | :--- | :--- | | $P$ | 0.2 | 0.5 | 0.3 | 求 $E(X)$ 和 $D(X)$。
变式
某射手射击一次,命中环数 $X$ 的分布列为: | $X$ | 7 | 8 | 9 | 10 | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | $P$ | 0.1 | 0.3 | 0.4 | 0.2 | 若 $Y = 2X + 1$,求 $E(Y)$ 和 $D(Y)$。
试试手自己判
检测题
已知随机变量 $X$ 的分布列为 $P(X=1)=0.5, P(X=2)=0.5$。求 $E(X)$ 和 $D(X)$。若 $Z = 3X - 2$,求 $D(Z)$。
看答案和判分标准
答案:$E(X) = 1 \times 0.5 + 2 \times 0.5 = 1.5$ $D(X) = (1-1.5)^2 \times 0.5 + (2-1.5)^2 \times 0.5 = 0.25 \times 0.5 + 0.25 \times 0.5 = 0.25$ $D(Z) = D(3X-2) = 3^2 D(X) = 9 \times 0.25 = 2.25$
判对标准:
1. $E(X)=1.5$ 正确得 1 分。
2. $D(X)=0.25$ 正确得 2 分(若用 $E(X^2)-[E(X)]^2$ 计算且结果正确也得分)。
3. $D(Z)=2.25$ 正确得 2 分(若写成 $3 \times 0.25 - 2$ 或其他错误形式不得分)。
4. 过程清晰,步骤完整得 1 分。总分 6 分,5 分及以上为掌握。
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