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2. 期望与方差

概率与统计 · 高三
讲清楚它是什么

定义 期望刻画随机变量取值的平均水平,方差刻画其取值围绕期望的离散程度。

从哪来 本节为高三复习起点,直接基于高中数学必修课程中“概率统计”模块的基础概念,无需额外前置知识点。

为什么 期望本质是加权平均,权重为概率,反映长期重复试验下的平均结果;方差是各取值与期望偏差平方的加权平均,平方消除正负抵消,放大偏离程度,从而量化波动性。二者共同描述随机变量的核心特征:中心位置与分散程度。

讲法
适合抽象思维强、喜欢逻辑推导的学生 从定义出发,用离散型随机变量 $X$ 的分布列 $P(X=x_i)=p_i$,直接推导 $E(X)=\sum x_i p_i$ 和 $D(X)=\sum (x_i-E(X))^2 p_i$。强调期望的线性性质 $E(aX+b)=aE(X)+b$ 和方差的齐次性 $D(aX+b)=a^2D(X)$。通过代数变形展示方差公式 $D(X)=E(X^2)-[E(X)]^2$ 的推导过程,建立严谨的数学结构。
讲法
适合直观感受强、喜欢实际情境的学生 用“射击成绩”类比:期望是平均环数(水平),方差是环数围绕平均值的波动大小(稳定性)。举例:甲乙两人平均都是9环,但甲每次都是9环(方差0),乙有时10环有时8环(方差>0)。用图表展示分布形状,直观感受方差大意味着数据“散”,方差小意味着数据“聚”。
讲法
适合计算能力弱、需要记忆口诀的学生 提供记忆口诀:“期望看平均,方差看波动;期望线性算,方差平方乘”。强调计算步骤:1. 列分布列;2. 算期望(值×概率求和);3. 算方差(先算 $E(X^2)$ 再减 $[E(X)]^2$)。提供常见分布的期望方差公式表(如二项分布 $B(n,p)$:$E=np, D=np(1-p)$),减少重复计算。
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练一道
基础题
某射手射击一次,命中环数 $X$ 的分布列为:$P(X=8)=0.2, P(X=9)=0.5, P(X=10)=0.3$。求 $E(X)$ 和 $D(X)$。
变式
已知随机变量 $X$ 满足 $E(X)=2, D(X)=3$,求 $E(2X+1)$ 和 $D(2X+1)$。
试试手自己判
检测题
已知随机变量 $X$ 的分布列为 $P(X=1)=0.5, P(X=3)=0.5$,求 $E(X)$ 和 $D(X)$。
看答案和判分标准
答案:$E(X)=2, D(X)=1$
判对标准:
- 正确计算 $E(X)=1\times0.5+3\times0.5=2$(1分)
- 正确计算 $E(X^2)=1^2\times0.5+3^2\times0.5=5$(1分)
- 正确计算 $D(X)=5-2^2=1$(1分)
- 若使用定义法 $D(X)=(1-2)^2\times0.5+(3-2)^2\times0.5=1$ 同样给满分
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