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概率分层训练:建模、计算与解释

每题先写清样本空间或随机变量、已知条件与所选模型,再计算。答案展开前先独立做题;讲题时补一句“如果改变什么条件,这种方法就不能用”。

基础 1:骰子与条件信息

独立掷两枚均匀骰子,已知点数和为 8,求至少一枚为 3 的概率。

完整解析

条件样本空间有 $(2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2)$ 共 5 个等可能点,其中两个含 3。故条件概率为 $2/5$。原样本空间虽有 36 个点,已知条件后分母必须缩到 5;$2/36$ 求的是联合事件概率。

基础 2:至少一个

三人独立解决同一问题,成功率分别为 $1/2,2/3,3/4$,求至少一人成功的概率。

完整解析

“至少一人成功”的对立事件是全部失败。独立条件使其概率为 $(1/2)(1/3)(1/4)=1/24$,所求为 $23/24$。不能把三个成功率相加,因为多人同时成功的情况会重复;也不能使用同参数二项分布,因为成功率不同。

基础 3:分布列补全

$X$ 取 $-1,0,2$,概率分别为 $a,2a,1/4$,求 $a,E(X),D(X)$。

完整解析

概率和为 1,故 $3a+1/4=1$,$a=1/4$,各概率非负。$E(X)=-1/4+2/4=1/4$;$E(X^2)=1/4+4/4=5/4$,所以 $D(X)=5/4-1/16=19/16$。期望在 $[-1,2]$ 内,方差非负。

基础 4:二项分布

独立进行 5 次成功率均为 $1/3$ 的试验,$X$ 为成功次数,求 $P(X=2),E(X),D(X)$。

完整解析

模型条件满足 $X\sim B(5,1/3)$。$P(X=2)=C_5^2(1/3)^2(2/3)^3=80/243$;$E(X)=5/3$,$D(X)=10/9$。组合数表示成功位置的选择,不能遗漏。

进阶 5:全概率与反向条件

先等可能选甲、乙袋之一,再从所选袋等可能抽一球。甲有 2 红 1 白,乙有 1 红 3 白。求抽到红球的概率,以及已知红球时选中甲袋的概率。

完整解析

记甲袋事件为 $A$、红球事件为 $R$。两袋来源互斥且穷尽,$P(R)=(1/2)(2/3)+(1/2)(1/4)=11/24$。甲且红的概率为 $1/3$,因此 $P(A\mid R)=(1/3)/(11/24)=8/11$。不能把两袋混成一个袋子数红球,因为先选袋使每个球的抽中概率不相同。

进阶 6:不放回与收益

6 件物品中 2 件次品,等可能随机抽取 3 件。令 $X$ 为次品数,求分布列、期望,并求 $Y=10-4X$ 的期望。

完整解析

$X$ 可取 0、1、2,分母 $C_6^3=20$,三个分子分别为 $C_4^3=4$、$C_2^1C_4^2=12$、$C_2^2C_4^1=4$。概率分别为 $1/5,3/5,1/5$,和为 1。$E(X)=3/5+2/5=1$,因此 $E(Y)=10-4=6$。不放回引入依赖,不能用 $B(3,1/3)$ 替代。

进阶 7:分阶段试验

一名选手每次独立答题,答对概率为 $p$,其中 $0<p<1$。最多答 3 题,一旦答错就停止,令 $X$ 为实际答题数,求分布列和期望。

完整解析

$X=1$ 表示第一题错,概率 $1-p$;$X=2$ 表示第一题对且第二题错,概率 $p(1-p)$;$X=3$ 只需前两题都对,第三题对错均已答满 3 题,概率 $p^2$。三项相加为 1。

$$E(X)=(1-p)+2p(1-p)+3p^2=1+p+p^2.$$

因为 $0<p<1$,期望在 1 与 3 之间。这里记录的是停止前答题数,不能当成固定三次中的成功次数;尤其 $P(X=3)$ 不是 $p^3$。

进阶 8:正态分布对称性

$X\sim N(50,4^2)$,已知 $P(46<X<54)=0.6827$,求 $P(X\le46)$ 与 $P(X<54)$。

完整解析

46 与 54 关于均值 50 对称,两尾各占 $(1-0.6827)/2=0.15865$。所以前者为 0.15865,后者为 $1-0.15865=0.84135$。连续分布的单点概率为 0,严格不等号与含等号在这里不改变概率;离散型题目则需要考虑端点。

综合 9:平均收益与风险

方案甲的得分恒为 2;方案乙以相同概率得 0 或 4。分别求期望和方差,并说明能否仅凭期望判断乙更好。

完整解析

甲的期望为 2、方差为 0。乙的期望为 $(0+4)/2=2$,方差为 $[(0-2)^2+(4-2)^2]/2=4$。平均得分相同,但乙波动更大。偏好稳定得分还是争取高分需要额外目标,不能从相同期望推出两个方案在所有意义下等价。

综合 10:独立性反例

独立抛两次公平硬币。$A$ 为第一次正面,$B$ 为第二次正面,$C$ 为两次同面。证明它们两两独立,但并不相互独立。

完整解析

四个等可能样本点为正正、正反、反正、反反。三个事件各有概率 $1/2$;每一对事件的交集都只有正正,概率 $1/4=(1/2)(1/2)$,所以两两独立。但三事件交集仍只有正正,概率 $1/4\ne1/8=P(A)P(B)P(C)$,不相互独立。因此三事件同时发生不能仅凭两两独立就把三个概率相乘。

复盘标准

能否解释每个分母的含义?能否说明独立性在哪一步用到?能否检查分布列概率和为 1?能否区分条件概率、联合概率、期望与一次结果?某题不会时,回到对应讲义修正模型,再做同类题。