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综合建模:停止、状态、决策与统计接口

独立试验成功概率 $p\in(0,1)$,遇到第一次成功就停止,最多做 $m$ 次。令 $T$ 为实际试验次数。若 $1\le k<m$,必须先失败 $k-1$ 次再成功,因此 $P(T=k)=(1-p)^{k-1}p$;若 $T=m$,只需前 $m-1$ 次失败,最后一次无论成败都会停,因此

停止试验的最后一项

独立试验成功概率 $p\in(0,1)$,遇到第一次成功就停止,最多做 $m$ 次。令 $T$ 为实际试验次数。若 $1\le k<m$,必须先失败 $k-1$ 次再成功,因此 $P(T=k)=(1-p)^{k-1}p$;若 $T=m$,只需前 $m-1$ 次失败,最后一次无论成败都会停,因此

$$ P(T=m)=(1-p)^{m-1}. $$

不能把这一项再乘 $p$。若随机变量改成“成功次数”或“失败次数”,取值和末项都要重新分析。

对于取值为 $1,\ldots,m$ 的 $T$,每个样本点上有 $T=\sum_{k=1}^m\mathbf1_{\{T\ge k\}}$,取期望得

$$ E(T)=\sum_{k=1}^mP(T\ge k)=\sum_{k=1}^m(1-p)^{k-1}=\frac{1-(1-p)^m}{p}. $$

这说明尾和公式来自“每一段是否被用到”的计数。$p=0$ 时 $T=m$,$p=1$ 时 $T=1$,直接处理。

本地热点题:正四面体上的随机游走

改编自《2020高考统计概率大题必刷热点题型》第 2 题。粒子从正四面体顶点 $A$ 出发,每一步在当前顶点相邻的三个顶点中等可能选一个,且下一步选择仅取决于当前顶点。令 $p_n$ 为第 $n$ 步后在 $A$ 的概率,$p_0=1$,求 $p_n$。

查看完整推导

当前在 $A$ 时下一步必离开,当前不在 $A$ 时恰有一个相邻顶点是 $A$,转入概率为 $1/3$。两种状态互斥完备,所以

$$ p_{n+1}=0p_n+\frac13(1-p_n)=\frac13-\frac13p_n. $$

为消去常数,找满足 $L=1/3-L/3$ 的 $L=1/4$,于是 $p_{n+1}-1/4=-(p_n-1/4)/3$。以 $p_0-1/4=3/4$ 为首项得

$$ p_n=\frac14+\frac34\left(-\frac13\right)^n. $$

其余三个顶点由置换对称性各占 $(1-p_n)/3$。检验 $p_0=1,p_1=0,p_2=1/3$,并且偏离 $1/4$ 的量按 $1/3$ 倍衰减。这才是“长期接近均匀”的计算依据。

参数概率最大化

固定 $n$ 次独立同概率试验,求恰有 $k$ 次成功的概率关于 $p$ 的最大值,$0<k<n$。

查看推导

设 $h(p)=\binom nkp^k(1-p)^{n-k}$。端点概率为 0;在 $(0,1)$ 内 $h>0$,故可对 $\ln h$ 求导:

$$ (\ln h)'=\frac{k}{p}-\frac{n-k}{1-p}=\frac{k-np}{p(1-p)}. $$

分母为正,导数在 $p=k/n$ 左正右负,所以唯一最大点是 $k/n$。$k=0$ 或 $k=n$ 的最大值在端点,应另论。

期望决策与库存

需求 $D$、订货量 $q$、售价 $s$、成本 $c$、残值 $v$ 满足 $s>c>v\ge0$。已售数量 $\min(D,q)$,剩余数量 $(q-D)^+$,利润

$$ L(q,D)=s\min(D,q)+v(q-D)^+-cq. $$

逐个需求取值加权,得到 $E(L)$。多订一件的期望收益为

$$ E[L(q+1,D)-L(q,D)]=(s-c)P(D\ge q+1)+(v-c)P(D\le q). $$

这把最优化转成“多一件是否划算”。只有题目采用期望为目标时才按期望选择;约束还可能包括资金、损失概率和稳定性。

统计综合题接口

直方图的频率是矩形面积,纵轴通常为频率/组距;分组均值用组中值加权只是近似。先完成读图,再把频率作为概率估计,最后建立抽样模型。

回归拟合 $\hat y=a+bx$ 时,最小化 $\sum_i(y_i-a-bx_i)^2$。对 $a$ 求导得到 $a=\bar y-b\bar x$,代回后对 $b$ 求导得到

$$ b=\frac{\sum_i(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\sum_i(x_i-\bar x)^2}, $$

前提是 $x_i$ 不全相同。回归预测是估计,不能宣称因果;外推尤其需要模型依据。列联表独立性检验检验的是总体关联假设,显著不等于因果,也不能说“有某置信度两个事件独立”。完整统计专题可进一步沿本地考点 29、30、32 展开。

书面表达与复述

每道综合题按六步写:定义变量与单位;写全部取值;指出随机机制;说明互斥分类与独立条件;算分布并检验概率和;按目标解释结果。

学生讲题必须回答:为何不套二项?停止边界是哪一项?递推是否只靠当前状态闭合?频率替代概率在哪一步引入估计?

对应训练:J、K、L 组。本地对应:考点 39 与热点题集。