7.3.2 离散型随机变量的方差

人教 A 版 · 本节 5 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 5 题 ↓

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本节的知识树

3 概念 · 最深 3 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 5 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

上一节把一张分布列压成了一个数——均值。这一节回答紧接着的问题:一个数压得太狠了,压丢了什么?

课本用两名射箭同学开场:E(X)=E(Y)=8E(X)=E(Y)=8,均值分毫不差,可两张分布列明显不是一回事—— 一个成绩摊得开,一个紧紧挤在 88 环上。均值说的是「在哪儿」,说不了「散得多开」。 这一节补上第二个数:方差。

本节页面(第 72—76 页)覆盖 §7.3.2,末尾还印着整章的 习题7.3。这一份按 “为什么要 → 怎么定义 → 怎么算快 → 两条性质 → 实际问题里怎么读”的顺序讲。

一、方差:把「偏差平方」再取一次加权平均

设离散型随机变量 XX 的分布列为 P(X=xi)=piP(X=x_i)=p_i(i=1,2,⋯ ,ni=1,2,\cdots,n),记 E(X)E(X) 为它的均值。称

D(X)=∑i=1n(xi−E(X))2piD(X)=\sum_{i=1}^{n}\bigl(x_i-E(X)\bigr)^2p_i

为 XX 的方差(也记作 Var(X)\mathrm{Var}(X));称 D(X)\sqrt{D(X)} 为标准差,记作 σ(X)\sigma(X)。

三件事要一起记住:

  1. 它量的是「离均值有多远」,而不是「离原点有多远」。每一项都是与 E(X)E(X) 的偏差。
  2. 权还是概率。这和均值的定义同一个套路:先算出每个取值的偏差平方,再按它出现的概率加权。 所以方差是「偏差平方的均值」——一句话就是 D(X)=E[(X−E(X))2]D(X)=E\bigl[(X-E(X))^2\bigr]。
  3. 为什么平方而不是绝对值:偏差直接加权必然得 00(那正是均值的定义式移项), 非得先消掉正负号;平方比绝对值好算(可展开、可求和),代价是单位变成了平方。 标准差就是为把单位换回来而设的——XX 以环为单位,σ(X)\sigma(X) 也以环为单位,D(X)D(X) 是「环²」。

方差越小,取值越集中;越大,越分散。 射箭那两位:D(X)=1.16D(X)=1.16、D(Y)=0.92D(Y)=0.92, D(X)≈1.077\sqrt{D(X)}\approx1.077、D(Y)≈0.959\sqrt{D(Y)}\approx0.959,所以乙更稳。 两个数字特征合起来才够用:均值定水平,方差定稳定性。

二、算得快的那个式子:D(X)=E(X2)−(E(X))2D(X)=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2

把定义式展开一次就得到它(课本第 73—74 页那半页推导):

D(X)=∑i(xi2−2E(X)xi+(E(X))2)pi=∑ixi2pi−2E(X)∑ixipi+(E(X))2∑ipi,D(X)=\sum_i\bigl(x_i^2-2E(X)x_i+(E(X))^2\bigr)p_i =\sum_i x_i^2p_i-2E(X)\sum_i x_ip_i+(E(X))^2\sum_i p_i ,

而 ∑ixipi=E(X)\sum_i x_ip_i=E(X)、∑ipi=1\sum_i p_i=1,于是

D(X)=∑ixi2pi−(E(X))2=E(X2)−(E(X))2.D(X)=\sum_i x_i^2p_i-\bigl(E(X)\bigr)^2=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2 .

该用哪一个?

  • E(X)E(X) 是整数或一位小数时,定义式与这个式子差不多;
  • E(X)E(X) 是分数或多位小数时(骰子的 72\frac72、股票的 1.11.1),一律用 E(X2)−(E(X))2E(X^2)-(E(X))^2—— 定义式要把那个难看的数减 nn 次、平方 nn 次,这个式子只平方一次。 课本例 5(骰子)就是这么算的:E(X)=72E(X)=\frac72、E(X2)=916E(X^2)=\frac{91}{6}, 故 D(X)=916−494=3512D(X)=\frac{91}{6}-\frac{49}{4}=\frac{35}{12}。

顺带记一条必然成立的检验:E(X2)≥(E(X))2E(X^2)\ge\bigl(E(X)\bigr)^2,因为左减右等于方差、方差非负。 算出负的方差,一定是哪一步错了——这是本节最省事的自检。

三、两条性质,以及它们与均值那两条的差别

D(X+b)=D(X),D(aX)=a2D(X),于是D(aX+b)=a2D(X).D(X+b)=D(X),\qquad D(aX)=a^2D(X),\qquad\text{于是}\qquad D(aX+b)=a^2D(X).

第一条的道理不必算:XX 整体平移 bb,均值也跟着平移 bb,每个取值与均值的距离一个都没变, 离散程度当然不变。第二条则是「距离都乘了 ∣a∣|a|、平方就乘了 a2a^2」。

和均值那两条摆在一起看,差别一目了然:

加常数 bb乘常数 aa
均值E(X+b)=E(X)+bE(X+b)=E(X)+b,变E(aX)=aE(X)E(aX)=aE(X)
方差D(X+b)=D(X)D(X+b)=D(X),不变D(aX)=a2D(X)D(aX)=a^2D(X),是 a2a^2 不是 aa
标准差σ(X+b)=σ(X)\sigma(X+b)=\sigma(X)σ(aX)=∣a∣σ(X)\sigma(aX)=\lvert a\rvert\sigma(X),要绝对值

bb 在方差里彻底消失、aa 在方差里平方——这两句是本节最常考的一句半。 标准差那一格的 ∣a∣\lvert a\rvert 尤其容易掉:σ(−2X+7)=2σ(X)\sigma(-2X+7)=2\sigma(X),不是 −2σ(X)-2\sigma(X) (标准差是非负数,出现负号就一定错了)。

四、实际问题里方差读作什么

同一个 D(X)D(X),换个背景换一个名字(课本第 75 页把这层意思专门点了出来):

  • 随机变量是测试成绩 → 方差小 = 技能稳定;
  • 是加工误差 → 方差小 = 精度高;
  • 是投资收益 → 方差大 = 风险高。

于是决策题有一套固定的读法(课本例 6 投资 A、B 两种股票就是模板):

  1. 先比均值。 均值差得多,直接选均值大的(或损失小的),方差不必算。
  2. 均值相近,再比方差。 这时方差才是决胜的那个数——“相近”三个字要自己判断并写出来, 例 6 的解答里就明写着「因为 E(X)E(X) 和 E(Y)E(Y) 相差不大」这句前提。
  3. 结论要回到实际语言。 「D(X)>D(Y)D(X)>D(Y)」不是答案,「投资股票 A 的风险比 B 高」才是。

例 6 的数:E(X)=1.1>E(Y)=1E(X)=1.1>E(Y)=1(A 的期望收益大),而 D(X)=1.29>D(Y)=0.6D(X)=1.29>D(Y)=0.6(A 的风险高)—— 收益高的那个风险也高,这不是巧合,而是这类题目要读者看到的张力:两个数字特征各说一半, 选哪个取决于愿不愿意担风险。课本紧接着那句「可以选择适当比例投资两种股票」是后续课程的入口, 不必现在展开。

五、均值是「最好的基准」:方差为什么盯着 E(X)E(X) 不放

定义里那个减号后面为什么非得是 E(X)E(X)?换成别的常数 aa 行不行?算一次就清楚了 (这正是 习题7.3 第 8 题)。记 μ=E(X)\mu=E(X),则对任意常数 aa,

E[(X−a)2]=E[(X−μ+μ−a)2]=D(X)+2(μ−a)E(X−μ)⏟=0+(μ−a)2=D(X)+(μ−a)2.E\bigl[(X-a)^2\bigr]=E\bigl[(X-\mu+\mu-a)^2\bigr] =D(X)+2(\mu-a)\underbrace{E(X-\mu)}_{=0}+(\mu-a)^2 =D(X)+(\mu-a)^2 .

所以 a≠μa\ne\mu 时 E[(X−a)2]>D(X)E[(X-a)^2]>D(X):在所有常数里,XX 相对于均值的偏离程度最小, 而方差恰好是这个最小值。这一条给了均值一个新身份——它不只是”平均水平”, 还是离 XX 最近的那个常数(在偏差平方的意义下)。用一个常数去代表 XX, 选均值的损失最小;多出来的那 (μ−a)2(\mu-a)^2 就是选错基准的代价。

一种特别省事的情形:偏差平方只取 00 与 11

定义式要求把每个 (xi−μ)2(x_i-\mu)^2 算出来再加权,一般绕不开。但有一类分布, 所有取值到 μ\mu 的距离只有 00 和 11 两种(即取值形如 μ−1, μ, μ+1\mu-1,\ \mu,\ \mu+1)。 这时 (X−μ)2(X-\mu)^2 本身就只取 00 与 11——这种只取 00 与 11 的随机变量叫示性量, 而示性量的期望等于”取 11“那个事件的概率。于是

D(X)=E[(X−μ)2]=P((X−μ)2=1)=P(X≠E(X)).D(X)=E\bigl[(X-\mu)^2\bigr]=P\bigl((X-\mu)^2=1\bigr)=P\bigl(X\ne E(X)\bigr).

方差不用算,数一个概率就完了。 更一般地,距离只取 00 与 dd 时 D(X)=d2 P(X≠μ)D(X)=d^2\,P(X\ne\mu)。

前提必须说死:是距离恰为 00 或 11,不是”取值是整数”、也不是”取值相邻”。 取值 0,1,20,1,2 而 E(X)=1.2E(X)=1.2 就不合格(距离是 1.2, 0.2, 0.81.2,\ 0.2,\ 0.8),照样得老实算。 合格的最常见形态就一种:取值 0,1,20,1,2 且 E(X)=1E(X)=1——2014 年浙江卷第 12 题正是它。

这条还顺带给出一个界:这类变量的 D(X)=P(X≠μ)≤1D(X)=P(X\ne\mu)\le 1, 取到 11 当且仅当 P(X=μ)=0P(X=\mu)=0,也就是概率全压在两端、各占一半的时候(偏离最狠); P(X=μ)P(X=\mu) 越大方差越小,全压在中间就退化成常数、方差为 00。 方差在这里被翻译成了一句大白话:偏离中心的概率有多大。

它不是第二段那个 E(X2)−(E(X))2E(X^2)-(E(X))^2 的替代品,而是在特殊结构下再省一步; 看不出结构时就退回快速公式,别在考场上硬凑。

六、易错清单(按失分频率排)

  1. D(aX+b)D(aX+b) 里把 a2a^2 写成 aa,或者把 bb 也加上去。 正确的是 a2D(X)a^2D(X): aa 平方、bb 消失。
  2. 标准差乘常数丢绝对值。 σ(aX+b)=∣a∣σ(X)\sigma(aX+b)=\lvert a\rvert\sigma(X)。
  3. 算方差前没算对均值。 D(X)D(X) 整条式子都挂在 E(X)E(X) 上,均值错一位,方差全错—— 先把 ∑pi=1\sum p_i=1 和 E(X)E(X) 各验一遍再往下走。
  4. 该用 E(X2)−(E(X))2E(X^2)-(E(X))^2 时硬套定义式。 不是错,是自找的计算量(和随之而来的算错)。
  5. 方差算出负数还往下写。 方差非负,负数即错;这也是 E(X2)≥(E(X))2E(X^2)\ge(E(X))^2 的实用形态。
  6. 把方差的单位当成 XX 的单位。 「误差的方差是 0.4 cm0.4\ \mathrm{cm}」是错的写法, 0.4 cm20.4\ \mathrm{cm}^2 才对;要用同单位的量就报标准差。
  7. 均值差得远还去比方差。 决策的第一刀是均值;只有均值相近时方差才说话, 而”相近”这个前提要写出来。
  8. 把随机变量的方差与样本方差混为一谈。 D(X)D(X) 是分布的属性、是一个确定的数; 样本方差 s2s^2 由抽到的那组数据算出、本身是随机的,只是用来估计 D(X)D(X)。 两者的记号(D(X)D(X) / σ2\sigma^2 与 s2s^2)、除的那个数(概率加权与 n−1n-1)都不一样。

七、这一节考过的真题(怎么读)

页面下方「考过本节的真题」那一块由”哪些实体的教材出处指向本节这几页”派生。 本站已经把「离散型随机变量的方差」这个概念的教材出处指向本节, 于是凡是攻略里挂了这个概念的真题都会自动长到那张清单上——目前只有下面第一条。 浙江卷直接问 D(X)D(X) 的题极少,所以下面把”真考方差的”与”考均值、方差只在收口出现的”分开列, 按由易到难读:

  • 2014 年浙江卷(理)第 12 题(ξ\xi 取 0,1,20,1,2,已知 P(ξ=0)=15P(\xi{=}0)=\frac{1}{5}、E(ξ)=1E(\xi)=1,求 D(ξ)D(\xi))—— 本节唯一一道正面考方差的浙江真题,也是第五段那条捷径的考场原型。 三个未知概率、两个方程(概率和为 11、均值为 11)+ 一个已知值,恰好定住整张分布列; 求出 P(ξ=1)=35P(\xi{=}1)=\frac{3}{5} 后按定义一加就是 25\frac{2}{5}。 但更该记住的是那条捷径:取值 0,1,20,1,2、均值居中,D(ξ)=P(ξ≠1)=15+15=25D(\xi)=P(\xi\ne1)=\frac{1}{5}+\frac{1}{5}=\frac{2}{5}, 连中间那项都不用求。它同时把易错清单第 3 条(先验均值)与第 4 条(该用快速公式时别硬套定义) 放在同一道题里让你选路——三条路都对,代价差一倍。

  • 2020 年第 16 题(11 红 11 绿 22 黄,不放回抽到红球即停,求 P(ξ=0)P(\xi=0) 与 E(ξ)E(\xi))—— 习题7.3 第 1—4 题那一类「列分布列、求均值」的考场版本,且它的最短解法把均值化成 两个 0-10\text{-}1 变量之和,正好呼应 §7.3.1 的期望线性性。

  • 2021 年第 15 题 / 2022 年第 15 题(袋中取球数红球 / 抽卡看最小数字)—— 都是「先把分布列列对,再按定义求均值」,与本节 习题7.3 第 1 题同型,只是背景换成了抽样。

  • 2024 年第 14 题 / 2025 年第 14 题(逐轮比大小 / 有放回取三次数不同球)—— 这两道把「均值可加」用到底,是 习题7.3 第 6 题(猜谜顺序)那种”顺序影响期望”的加强版。

  • 2023 年第 21 题(投篮的马尔可夫链,求 E(Y)E(Y))——大题里的均值,本节方法的上限。

有一处区别值得单独记:2023 年第 9 题问的是一组样本数据去掉最大最小后标准差怎么变, 那是描述统计那一侧的 ss,不是本节的 σ(X)\sigma(X)(见易错清单第 8 条)。 浙江卷这些年直接考 D(X)D(X) 的填空/选择很少,方差更多是作为「均值之外还要看什么」出现在解答题的收口里—— 把两条性质与那个快速公式记熟,考场上够用。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

这一份收印在第 72—76 页上的题:§7.3.1 练习 的后半(第 72 页)、§7.3.2 的 练习(第 75 页) 与整章的 习题7.3(第 76 页)。

共 13 道,逐题全做:第 72 页 练习 第 2、3 题;第 75 页 练习 第 1、2、3 题; 习题7.3 第 1—8 题。本节没有开放式的实习作业。

只有一道不收:§7.3.1 练习 第 1 题。 它的题干、分布列表格与第 (1) 问都印在第 71 页 (归 §7.3 那一份的目录),第 72 页上只剩「(2) 求 E(3X+2)E(3X+2)」这半句。题面引文的比对靶只取 本份所在目录的页,单收这半句就等于交一道没有分布列的题,复核者也无从核起——所以整道留给 §7.3 那一份连题干一起收齐。(那道题的答案是 E(X)=2.8E(X)=2.8、E(3X+2)=3E(X)+2=10.4E(3X+2)=3E(X)+2=10.4。)

另有 6 道的分布列表格原先没进转写(第 72 页 练习 第 3 题、第 75 页 练习 第 1、3 题、 习题7.3 第 7 题,加上 §7.3.2 正文里问题 2 的表 7.3-6、7.3-7):本册的规范化转写只留下了 引出表格的那句话。这些表格已按 ADR-0022 的逐页校订层(page-NNNN-fix.md,对着整页扫描图 逐格核)补回页面,所以下面这几道的题面引文照旧是逐字引转写——表格就在引文里, 读者与复核者拿到的是同一份完整题面。

十三道题里,前面几道练的是同一条流水线:先验概率之和为 11,再求 E(X)E(X),要方差就用 D(X)=E(X2)−(E(X))2D(X)=E(X^2)-(E(X))^2。后面几道分别是反求参数、设计分值、证明两条性质、比较两种顺序, 以及”均值为什么是最好的基准”;带两张分布列的那几道(机床、目测误差、手表)练的是同一个动作: 均值先比,均值打平就比方差。

练习(第 72 页)第 2 题

  1. 抛掷一枚硬币,规定正面向上得1分,反面向上得-1分,求得分X的均值.

硬币质地均匀(这是”抛掷一枚硬币”的默认约定),所以正面、反面各以 12\dfrac12 的概率发生。 按题目的规定,得分 XX 只有两个可能取值,分布列是

XX11−1-1
PP12\dfrac1212\dfrac12

先验一眼分布列的两条性质:两个概率都非负,且 12+12=1\dfrac12+\dfrac12=1 ✓。于是

E(X)=1×12+(−1)×12=12−12=0.E(X)=1\times\frac12+(-1)\times\frac12=\frac12-\frac12=0 .

得分 XX 的均值是 00 分。

两句提醒。 第一,E(X)=0E(X)=0 并不意味着”可能得 00 分”——XX 根本取不到 00, 均值只是一个加权平均,不必是取值之一。第二,这道题也顺手给了本节的量:

E(X2)=12×12+(−1)2×12=1,D(X)=E(X2)−(E(X))2=1−0=1,σ(X)=1.E(X^2)=1^2\times\frac12+(-1)^2\times\frac12=1,\qquad D(X)=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2=1-0=1,\qquad \sigma(X)=1 .

均值 00、标准差 11——一个说”长期看不赚不亏”,一个说”每一次都偏离 11 分”。 均值把这场赌局的波动完全压掉了,这正是要学方差的理由。

练习(第 72 页)第 3 题

  1. 甲、乙两台机床生产同一种零件,它们生产的产量相同,在 1h1\mathrm{h} 内生产出的次品数分别为 X1X_{1},X2X_{2},其分布列分别为

甲机床次品数的分布列

X1X_{1}0123
PP0.40.30.20.1

乙机床次品数的分布列

X2X_{2}012
PP0.30.50.2

哪台机床更好?请解释你所得出结论的实际含义.

两张表各自的概率之和:0.4+0.3+0.2+0.1=10.4+0.3+0.2+0.1=1 ✓,0.3+0.5+0.2=10.3+0.5+0.2=1 ✓。

第一步:比均值(平均每小时出多少个次品)。

E(X1)=0×0.4+1×0.3+2×0.2+3×0.1=0.3+0.4+0.3=1.0,E(X_1)=0\times 0.4+1\times 0.3+2\times 0.2+3\times 0.1=0.3+0.4+0.3=1.0 , E(X2)=0×0.3+1×0.5+2×0.2=0.5+0.4=0.9.E(X_2)=0\times 0.3+1\times 0.5+2\times 0.2=0.5+0.4=0.9 .

第二步:比方差(次品数的波动)。 用 D(X)=E(X2)−(E(X))2D(X)=E(X^2)-(E(X))^2:

E(X12)=02×0.4+12×0.3+22×0.2+32×0.1=0.3+0.8+0.9=2.0,D(X1)=2.0−1.02=1.0;E(X_1^2)=0^2\times 0.4+1^2\times 0.3+2^2\times 0.2+3^2\times 0.1=0.3+0.8+0.9=2.0 , \qquad D(X_1)=2.0-1.0^2=1.0 ; E(X22)=02×0.3+12×0.5+22×0.2=0.5+0.8=1.3,D(X2)=1.3−0.92=1.3−0.81=0.49.E(X_2^2)=0^2\times 0.3+1^2\times 0.5+2^2\times 0.2=0.5+0.8=1.3 , \qquad D(X_2)=1.3-0.9^2=1.3-0.81=0.49 .

自检(改用定义式各算一遍)。

D(X1)=(0−1)2×0.4+(1−1)2×0.3+(2−1)2×0.2+(3−1)2×0.1=0.4+0+0.2+0.4=1.0 ✓D(X_1)=(0-1)^2\times 0.4+(1-1)^2\times 0.3+(2-1)^2\times 0.2+(3-1)^2\times 0.1 =0.4+0+0.2+0.4=1.0\ ✓ D(X2)=(0−0.9)2×0.3+(1−0.9)2×0.5+(2−0.9)2×0.2=0.243+0.005+0.242=0.49 ✓D(X_2)=(0-0.9)^2\times 0.3+(1-0.9)^2\times 0.5+(2-0.9)^2\times 0.2 =0.243+0.005+0.242=0.49\ ✓

结论:乙机床更好。 因为 E(X2)=0.9<1.0=E(X1)E(X_2)=0.9<1.0=E(X_1),且 D(X2)=0.49<1.0=D(X1)D(X_2)=0.49<1.0=D(X_1)—— 两项都是乙占优,不必权衡。

结论的实际含义。 题面已经把”产量相同”钉住了,所以两台机床的次品数可以直接比:

  • 均值:同样的产量下,乙机床平均每小时出 0.90.9 个次品、甲机床出 1.01.0 个, 长期看乙每 1010 小时少出 11 个次品。
  • 方差(波动):标准差 σ(X2)=0.49=0.7\sigma(X_2)=\sqrt{0.49}=0.7、σ(X1)=1.0=1\sigma(X_1)=\sqrt{1.0}=1, 乙的次品数更稳定地贴着它的平均水平。具体到表上:甲机床有 0.10.1 的概率一小时出 33 个次品 (乙根本没有 33 这一栏),出 22 个及以上的概率甲是 0.2+0.1=0.30.2+0.1=0.3、乙是 0.20.2。 质量管理上要紧的往往正是这条尾巴——“偶尔一小时冒出一批次品”比”每小时都稳定地差一点”更难安排返工。

这道题的动作:均值先比,均值分不出高下再比方差。 本题两项同向,结论干脆; 若出现”甲均值好、乙方差好”的局面,就得看实际需求(要产量还是要稳定),这正是下一节股票例题的套路。

练习(第 75 页)第 1 题

  1. 已知随机变量 X 的分布列为
XX1234
PP0.20.30.40.1

求 D(X)D(X) 和 σ(2X+7)\sigma (2X + 7)

概率之和 0.2+0.3+0.4+0.1=10.2+0.3+0.4+0.1=1 ✓。

第一步:均值。 求方差绕不开它。

E(X)=1×0.2+2×0.3+3×0.4+4×0.1=0.2+0.6+1.2+0.4=2.4.E(X)=1\times 0.2+2\times 0.3+3\times 0.4+4\times 0.1=0.2+0.6+1.2+0.4=2.4 .

第二步:方差。 用 D(X)=E(X2)−(E(X))2D(X)=E(X^2)-(E(X))^2:

E(X2)=12×0.2+22×0.3+32×0.4+42×0.1=0.2+1.2+3.6+1.6=6.6,E(X^2)=1^2\times 0.2+2^2\times 0.3+3^2\times 0.4+4^2\times 0.1 =0.2+1.2+3.6+1.6=6.6 , D(X)=6.6−2.42=6.6−5.76=0.84.D(X)=6.6-2.4^2=6.6-5.76=0.84 .

自检(定义式)。

D(X)=(1−2.4)2×0.2+(2−2.4)2×0.3+(3−2.4)2×0.4+(4−2.4)2×0.1D(X)=(1-2.4)^2\times 0.2+(2-2.4)^2\times 0.3+(3-2.4)^2\times 0.4+(4-2.4)^2\times 0.1 =1.96×0.2+0.16×0.3+0.36×0.4+2.56×0.1=0.392+0.048+0.144+0.256=0.84 ✓=1.96\times 0.2+0.16\times 0.3+0.36\times 0.4+2.56\times 0.1 =0.392+0.048+0.144+0.256=0.84\ ✓

第三步:σ(2X+7)\sigma(2X+7)。 由 D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^2D(X)(本节 习题7.3 第 5 题要证的就是它),

D(2X+7)=22D(X)=4×0.84=3.36,D(2X+7)=2^2D(X)=4\times 0.84=3.36 , σ(2X+7)=3.36=8425=845=2215≈1.83.\sigma(2X+7)=\sqrt{3.36}=\sqrt{\frac{84}{25}}=\frac{\sqrt{84}}{5} =\frac{2\sqrt{21}}{5}\approx 1.83 .

换一条路核一次。 标准差版本是 σ(aX+b)=∣a∣ σ(X)\sigma(aX+b)=\lvert a\rvert\,\sigma(X),于是

σ(2X+7)=2σ(X)=20.84=2×215=2215 ✓\sigma(2X+7)=2\sigma(X)=2\sqrt{0.84}=2\times\frac{\sqrt{21}}{5} =\frac{2\sqrt{21}}{5}\ ✓

(0.84=21/25=21/5≈0.9165\sqrt{0.84}=\sqrt{21/25}=\sqrt{21}/5\approx 0.9165。)

结论:D(X)=0.84D(X)=0.84,σ(2X+7)=2215≈1.83\sigma(2X+7)=\dfrac{2\sqrt{21}}{5}\approx 1.83。

这道题的动作:那个 +7+7 一点用都没有。 平移不改变波动,D(2X+7)=D(2X)=4D(X)D(2X+7)=D(2X)=4D(X); 只有系数 22 起作用,而且进方差时要平方、进标准差时只出绝对值。

练习(第 75 页)第 2 题

  1. 若随机变量 X 满足 P(X=c)=1P(X=c)=1 ,其中 c 为常数,求 D(X)D(X) .

P(X=c)=1P(X=c)=1 说的是:XX 以概率 11 取那个常数 cc,别的值一个都取不到(否则概率之和会超过 11)。 所以它的分布列只有一行:P(X=c)=1P(X=c)=1,两条性质自动满足。

先求均值。

E(X)=c×1=c.E(X)=c\times 1=c .

再按定义求方差。

D(X)=(c−E(X))2×1=(c−c)2=0.D(X)=\bigl(c-E(X)\bigr)^2\times 1=(c-c)^2=0 .

用快速公式复核一遍:E(X2)=c2×1=c2E(X^2)=c^2\times 1=c^2,故 D(X)=E(X2)−(E(X))2=c2−c2=0D(X)=E(X^2)-(E(X))^2=c^2-c^2=0 ✓。

所以 D(X)=0D(X)=0。 意思是完全没有波动——它本来就是个常数,“离散程度”当然是零。

逆命题也成立,值得记住。 若 D(X)=0D(X)=0,则 ∑i(xi−E(X))2pi=0\sum_i\bigl(x_i-E(X)\bigr)^2p_i=0; 每一项都非负而总和为 00,故每一项都是 00,于是凡 pi>0p_i>0 的取值都满足 xi=E(X)x_i=E(X)—— XX 只能取一个值。合起来:

D(X)=0  ⟺  X 是常数(以概率 1 取一个值).D(X)=0\iff X\text{ 是常数(以概率 }1\text{ 取一个值)}.

这条等价关系是”方差度量波动”这句话的极端情形,也是判断”方差算错了”的一把尺子: 只要 XX 有两个概率为正的不同取值,D(X)D(X) 就必须严格大于 00。

练习(第 75 页)第 3 题

  1. 甲、乙两个班级同学分别目测数学教科书的长度,其误差 XX 和 YY (单位: cm\mathrm{cm} )的分布列如下:

甲班的目测误差分布列

XX-2-1012
PP0.10.20.40.20.1

乙班的目测误差分布列

YY-2-1012
PP0.050.150.60.150.05

先直观判断 X 和 Y 的分布哪一个离散程度大,再分别计算 X 和 Y 的方差,验证你的判断.

两张表的概率之和都是 11(0.1+0.2+0.4+0.2+0.1=10.1+0.2+0.4+0.2+0.1=1;0.05+0.15+0.6+0.15+0.05=10.05+0.15+0.6+0.15+0.05=1)✓。

第一步:先按题目要求直观判断。 两张表的取值完全相同(都是 −2,−1,0,1,2-2,-1,0,1,2), 且概率都对称于 00,于是只剩”概率往中间挤得有多紧”这一条差别:

  • 落在 00 上的概率:甲班 0.40.4、乙班 0.60.6;
  • 落在两端 ±2\pm 2 上的概率:甲班 0.1+0.1=0.20.1+0.1=0.2、乙班 0.05+0.05=0.10.05+0.05=0.1。

乙班把更多概率压在 00 附近、两端更轻,所以直观判断是甲班(XX)的分布离散程度大。

第二步:算方差验证。 两个分布都对称于 00,先把均值算出来:

E(X)=(−2)×0.1+(−1)×0.2+0×0.4+1×0.2+2×0.1=−0.2−0.2+0.2+0.2=0,E(X)=(-2)\times 0.1+(-1)\times 0.2+0\times 0.4+1\times 0.2+2\times 0.1 =-0.2-0.2+0.2+0.2=0 , E(Y)=(−2)×0.05+(−1)×0.15+0×0.6+1×0.15+2×0.05=−0.1−0.15+0.15+0.1=0.E(Y)=(-2)\times 0.05+(-1)\times 0.15+0\times 0.6+1\times 0.15+2\times 0.05 =-0.1-0.15+0.15+0.1=0 .

均值都是 00,所以 D=E(X2)−02=E(X2)D=E(X^2)-0^2=E(X^2),一步就够:

D(X)=(−2)2×0.1+(−1)2×0.2+02×0.4+12×0.2+22×0.1=0.4+0.2+0+0.2+0.4=1.2,D(X)=(-2)^2\times 0.1+(-1)^2\times 0.2+0^2\times 0.4+1^2\times 0.2+2^2\times 0.1 =0.4+0.2+0+0.2+0.4=1.2 , D(Y)=(−2)2×0.05+(−1)2×0.15+02×0.6+12×0.15+22×0.05=0.2+0.15+0+0.15+0.2=0.7.D(Y)=(-2)^2\times 0.05+(-1)^2\times 0.15+0^2\times 0.6+1^2\times 0.15+2^2\times 0.05 =0.2+0.15+0+0.15+0.2=0.7 .

第三步:对判断。 D(X)=1.2>0.7=D(Y)D(X)=1.2>0.7=D(Y),与第一步的直观判断一致——甲班目测误差的 离散程度大,乙班的目测更准。折成同单位的标准差: σ(X)=1.2≈1.10 cm\sigma(X)=\sqrt{1.2}\approx 1.10\ \mathrm{cm}、 σ(Y)=0.7≈0.84 cm\sigma(Y)=\sqrt{0.7}\approx 0.84\ \mathrm{cm}。

这道题的动作:均值相同(这里都是 00)时,“谁的分布更挤”就等于”谁的方差更小”。 两个均值都为 00 还带来一个便宜:D=E(X2)D=E(X^2),连减那一步都省了。 反过来看也值得记一句:E(X)=E(Y)=0E(X)=E(Y)=0 说明两个班都没有系统性地高估或低估, 差别只在精度上——这正是”均值报不出的那件事,方差报得出”。

习题7.3 第 1 题

  1. 某品牌手机投放市场,每部手机可能发生按定价售出、打折后售出、没有售出而收回三种情况。按定价售出每部利润100元,打折后售出每部利润0元,没有售出而收回每部利润-300元。据市场分析,发生这三种情况的概率分别为0.6,0.3,0.1。求每部手机利润的均值和方差。

先把分布列写出来。 设每部手机的利润为 XX(单位:元),三种情况一一对应三个取值:

XX10010000−300-300
PP0.60.60.30.30.10.1

三个概率非负,且 0.6+0.3+0.1=10.6+0.3+0.1=1 ✓——分布列合法,可以往下算。

均值。

E(X)=100×0.6+0×0.3+(−300)×0.1=60+0−30=30 (元).E(X)=100\times 0.6+0\times 0.3+(-300)\times 0.1=60+0-30=30\ (\text{元}) .

方差。 E(X)=30E(X)=30 是整数,两条路都不难;这里用快速公式:

E(X2)=1002×0.6+02×0.3+(−300)2×0.1=6000+9000=15000,E(X^2)=100^2\times 0.6+0^2\times 0.3+(-300)^2\times 0.1=6000+9000=15000 , D(X)=E(X2)−(E(X))2=15000−302=15000−900=14100.D(X)=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2=15000-30^2=15000-900=14100 .

自检(改用定义式算一遍)。

D(X)=(100−30)2×0.6+(0−30)2×0.3+(−300−30)2×0.1=2940+270+10890=14100 ✓D(X)=(100-30)^2\times 0.6+(0-30)^2\times 0.3+(-300-30)^2\times 0.1 =2940+270+10890=14100\ ✓

结论:每部手机利润的均值是 3030 元,方差是 1410014100(元2^2)。 方差的单位是”元的平方”,要报一个与利润同单位的量就取标准差:

σ(X)=14100=10141≈118.74 (元).\sigma(X)=\sqrt{14100}=10\sqrt{141}\approx 118.74\ (\text{元}) .

这道题的动作:把三句话翻译成三行分布列,剩下的是两个加法。 值得多读一句的是这两个数的对比: 平均每部赚 3030 元,可标准差将近 119119 元——波动是均值的四倍。原因在那 10%10\% 的退货: 一部退回就亏 300300 元,要 33 部按定价售出(每部赚 100100 元)才抵得回来。 均值报喜,方差报忧,两个都得看。

习题7.3 第 2 题

  1. 现要发行 10 000 张彩票,其中中奖金额为 2 元的彩票 1 000 张,10 元的彩票 300 张,50 元的彩票 100 张,100 元的彩票 50 张,1 000 元的彩票 5 张。1 张彩票中奖金额的均值是多少元?

先数清有多少张不中奖。 中奖的一共

1000+300+100+50+5=1455 (张),1000+300+100+50+5=1455\ (\text{张}) ,

所以不中奖(金额 00 元)的有 10000−1455=854510000-1455=8545 张。这一行绝不能漏——它不贡献奖金, 但它必须占住概率,否则概率之和凑不到 11。

分布列。 设 XX 为随机买 11 张的中奖金额(单位:元):

XX00221010505010010010001000
PP0.85450.85450.10.10.030.030.010.010.0050.0050.00050.0005

验一眼:0.8545+0.1+0.03+0.01+0.005+0.0005=10.8545+0.1+0.03+0.01+0.005+0.0005=1 ✓。

均值。

E(X)=0×0.8545+2×0.1+10×0.03+50×0.01+100×0.005+1000×0.0005E(X)=0\times 0.8545+2\times 0.1+10\times 0.03+50\times 0.01+100\times 0.005+1000\times 0.0005 =0+0.2+0.3+0.5+0.5+0.5=2 (元).=0+0.2+0.3+0.5+0.5+0.5=2\ (\text{元}) .

换个算法核一次。 均值也等于”总奖金 ÷\div 总张数”:

2×1000+10×300+50×100+100×50+1000×510000=2000+3000+5000+5000+500010000=2000010000=2 ✓\frac{2\times 1000+10\times 300+50\times 100+100\times 50+1000\times 5}{10000} =\frac{2000+3000+5000+5000+5000}{10000}=\frac{20000}{10000}=2\ ✓

结论:11 张彩票中奖金额的均值是 22 元。

这道题的动作:把”张数”折成概率,别忘了不中奖那一大类。 漏掉那 85458545 张、拿 14551455 作分母, 会算成 200001455≈13.75\dfrac{20000}{1455}\approx 13.75 元——那是”已知中了奖,奖金的均值”, 是另一个问题(条件均值)的答案。这也解释了彩票的定价:均值 22 元, 所以售价高于 22 元发行方才不亏。

习题7.3 第 3 题

  1. 随机变量 XX 的分布列为 P(X=0)=0.2P(X = 0) = 0.2,P(X=1)=aP(X = 1) = a,P(X=2)=bP(X = 2) = b。若 E(X)=1E(X) = 1,求 aa 和 bb。

两个未知数要两个方程,而题目只明写了一个。 另一个是分布列自带的:概率之和为 11。

{0.2+a+b=1,E(X)=0×0.2+1×a+2×b=1.⟹{a+b=0.8,a+2b=1.\begin{cases} 0.2+a+b=1, \\[2pt] E(X)=0\times 0.2+1\times a+2\times b=1 . \end{cases} \qquad\Longrightarrow\qquad \begin{cases} a+b=0.8, \\[2pt] a+2b=1 . \end{cases}

两式相减消去 aa:b=1−0.8=0.2b=1-0.8=0.2,代回第一式得 a=0.8−0.2=0.6a=0.8-0.2=0.6。

验合法性(这一步必须做)。 a=0.6≥0a=0.6\ge 0、b=0.2≥0b=0.2\ge 0,且 0.2+0.6+0.2=10.2+0.6+0.2=1 ✓, E(X)=0+0.6+0.4=1E(X)=0+0.6+0.4=1 ✓。

所以 a=0.6a=0.6、b=0.2b=0.2。

顺带把方差也算出来(本节的量,一步而已):

E(X2)=02×0.2+12×0.6+22×0.2=0.6+0.8=1.4,D(X)=1.4−12=0.4.E(X^2)=0^2\times 0.2+1^2\times 0.6+2^2\times 0.2=0.6+0.8=1.4,\qquad D(X)=1.4-1^2=0.4 .

这道题的动作:把"∑pi=1\sum p_i=1"当成一个方程用。 只用 E(X)=1E(X)=1 一条式子求两个未知数 必然求不出来;反过来,若解出的 aa 或 bb 为负,说明这样的分布列不存在,那才是要报的结论。

习题7.3 第 4 题

  1. 在单项选择题中,每道题有四个选项,其中仅有一个选项正确。如果从四个选项中随机选一个,选对的概率为0.25。请给选对和选错分别赋予合适的分值,使得随机选择时得分的均值为0。

设未知的是分值。 设选对得 xx 分、选错得 yy 分,则随机选一个时得分 XX 的分布列为

XXxxyy
PP0.250.250.750.75

(0.25+0.75=10.25+0.75=1 ✓;四个选项里恰有一个正确,随机选中它的概率就是 0.250.25,选错的概率是其余三个。)

把”均值为 0”写成方程。

E(X)=0.25x+0.75y=0 ⟹ x=−3y.E(X)=0.25x+0.75y=0\ \Longrightarrow\ x=-3y .

所以答案不唯一:只要选对的分值是选错分值的 −3-3 倍就行。要让分值”合适”—— 即答对该加分、答错该扣分——就取 y<0y<0,于是 x=−3y>0x=-3y>0。取 y=−1y=-1 得最常见的一组:

 选对得 3 分,选错得 −1 分(即倒扣 1 分) \boxed{\ \text{选对得 }3\text{ 分,选错得 }-1\text{ 分(即倒扣 }1\text{ 分)}\ }

验一次。 E(X)=0.25×3+0.75×(−1)=0.75−0.75=0E(X)=0.25\times 3+0.75\times(-1)=0.75-0.75=0 ✓。

这道题的动作:把”均值为 0”当方程,反求赋分。 它其实是”倒扣分”制度的设计原理: 瞎猜的期望得分被压到 00,猜与不猜的长期收益一样,于是分数只反映”会不会”,不奖励碰运气。 (若只倒扣 13\dfrac13 分而选对得 11 分,E(X)=0.25−0.75×13=0E(X)=0.25-0.75\times\dfrac13=0 也成立—— 同一族答案的另一个代表。)

习题7.3 第 5 题

  1. 证明: D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^{2}D(X) .

设定与记号。 设 XX 的分布列为 P(X=xi)=piP(X=x_i)=p_i(i=1,2,⋯ ,ni=1,2,\cdots,n,∑ipi=1\sum_i p_i=1), 记 μ=E(X)=∑ixipi\mu=E(X)=\sum_i x_ip_i。令 Y=aX+bY=aX+b(a,ba,b 为常数)。

第一步:写出 YY 的分布列。 XX 取 xix_i 时 YY 取 axi+bax_i+b,两者是同一个事件,故

P(Y=axi+b)=pi,i=1,2,⋯ ,n.P(Y=ax_i+b)=p_i,\qquad i=1,2,\cdots,n .

(a≠0a\ne 0 时 x↦ax+bx\mapsto ax+b 是一一对应,nn 个取值不会合并;a=0a=0 时 YY 恒等于 bb, 由上一题的结论 D(Y)=0D(Y)=0,而右端 a2D(X)=0a^2D(X)=0,结论照样成立。以下设 a≠0a\ne 0。)

第二步:YY 的均值。

E(Y)=∑i(axi+b)pi=a∑ixipi+b∑ipi=aμ+b.E(Y)=\sum_i (ax_i+b)p_i=a\sum_i x_ip_i+b\sum_i p_i=a\mu+b .

第三步:按方差的定义算。

D(Y)=∑i((axi+b)−E(Y))2pi=∑i((axi+b)−(aμ+b))2pi=∑i(a(xi−μ))2pi,D(Y)=\sum_i\bigl((ax_i+b)-E(Y)\bigr)^2p_i =\sum_i\bigl((ax_i+b)-(a\mu+b)\bigr)^2p_i =\sum_i\bigl(a(x_i-\mu)\bigr)^2p_i ,

括号里的 bb 被减掉了——平移在这一步整体消失,这就是”加常数不改变方差”的全部原因。 把 a2a^2 提到求和号外:

D(Y)=a2∑i(xi−μ)2pi=a2D(X).D(Y)=a^2\sum_i (x_i-\mu)^2p_i=a^2D(X) .

即 D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^2D(X)。■\blacksquare

两条特例与一条推论。 取 a=1a=1 得 D(X+b)=D(X)D(X+b)=D(X);取 b=0b=0 得 D(aX)=a2D(X)D(aX)=a^2D(X)。 两边开方还得到标准差的版本

σ(aX+b)=a2D(X)=∣a∣ σ(X),\sigma(aX+b)=\sqrt{a^2D(X)}=\lvert a\rvert\,\sigma(X) ,

那个绝对值不能省:标准差非负,而 aa 可以是负数(σ(−2X+7)=2σ(X)\sigma(-2X+7)=2\sigma(X))。

和均值那两条对着记。 E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b——bb 留着、aa 是一次; D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^2D(X)——bb 消失、aa 是二次。差别的根源就在第三步:均值是一次式求和, 方差先减掉均值(平移抵消)再平方(缩放平方)。

习题7.3 第 6 题

  1. 有 A 和 B 两道谜语,张某猜对 A 谜语的概率为 0.8,猜对得奖金 10 元;猜对 B 谜语的概率为 0.5,猜对得奖金 20 元。规则规定:只有在猜对第一道谜语的情况下,才有资格猜第二道。如果猜谜顺序由张某选择,他应该选择先猜哪一道谜语?

这道题要比的是两个均值,所以两种顺序各列一张分布列。 记两道谜语猜对与否相互独立 (题面把两个概率分别给出,未提相互影响)。

方案一:先猜 A。 设奖金总额为 XX(单位:元),三种结局:

  • 猜错 A(就此结束):X=0X=0,概率 1−0.8=0.21-0.8=0.2;
  • 猜对 A、猜错 B:X=10X=10,概率 0.8×(1−0.5)=0.40.8\times(1-0.5)=0.4;
  • 两道都猜对:X=10+20=30X=10+20=30,概率 0.8×0.5=0.40.8\times 0.5=0.4。
XX0010103030
PP0.20.20.40.40.40.4

0.2+0.4+0.4=10.2+0.4+0.4=1 ✓。于是

E(X)=0×0.2+10×0.4+30×0.4=4+12=16 (元).E(X)=0\times 0.2+10\times 0.4+30\times 0.4=4+12=16\ (\text{元}) .

方案二:先猜 B。 设奖金总额为 YY:

  • 猜错 B:Y=0Y=0,概率 1−0.5=0.51-0.5=0.5;
  • 猜对 B、猜错 A:Y=20Y=20,概率 0.5×(1−0.8)=0.10.5\times(1-0.8)=0.1;
  • 两道都猜对:Y=30Y=30,概率 0.5×0.8=0.40.5\times 0.8=0.4。
YY0020203030
PP0.50.50.10.10.40.4

0.5+0.1+0.4=10.5+0.1+0.4=1 ✓。于是

E(Y)=0×0.5+20×0.1+30×0.4=2+12=14 (元).E(Y)=0\times 0.5+20\times 0.1+30\times 0.4=2+12=14\ (\text{元}) .

比较。 E(X)=16>14=E(Y)E(X)=16>14=E(Y),所以张某应该先猜 A 谜语。

更短的算法(不必列分布列)。 把总奖金拆成两笔,各自用”拿到它的概率 ×\times 它的金额”: 先猜 A 时,第一笔的概率是 0.80.8、第二笔要两道都对故概率是 0.8×0.50.8\times0.5,

E(X)=0.8×10+0.8×0.5×20=8+8=16,E(Y)=0.5×20+0.5×0.8×10=10+4=14.E(X)=0.8\times 10+0.8\times 0.5\times 20=8+8=16 ,\qquad E(Y)=0.5\times 20+0.5\times 0.8\times 10=10+4=14 .

两条路同一个数,而且第二条不是另一条定理:它只是把上面那张分布列的加权和按「第一笔奖金」与 「第二笔奖金」重新分组——把 30=10+2030=10+20 拆开,1010 于是在两个取值里各出现一次、合并同类项后的系数 是 0.4+0.4=0.80.4+0.4=0.8(正好是「猜对 A」的概率),而 2020 的系数仍是 0.40.4(「两道都对」的概率)。 课本 §7.3.1 只给了 E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b,两个随机变量相加的可加性并没在那里出现, 所以这里走的是重新分组这条不需要新定理的路。

这道题的动作:把”选哪个顺序”翻译成”两个均值谁大”。 一般地,设两道题猜对的概率与奖金 分别是 p1,a1p_1,a_1 与 p2,a2p_2,a_2(pi<1p_i<1),则

E(先第 1 道)−E(先第 2 道)=p1a1(1−p2)−p2a2(1−p1),E(\text{先第 }1\text{ 道})-E(\text{先第 }2\text{ 道})=p_1a_1(1-p_2)-p_2a_2(1-p_1) ,

于是先猜第 1 道更优的判据是 p1a11−p1>p2a21−p2\dfrac{p_1a_1}{1-p_1}>\dfrac{p_2a_2}{1-p_2}。 本题左端 0.8×100.2=40\dfrac{0.8\times 10}{0.2}=40、右端 0.5×200.5=20\dfrac{0.5\times 20}{0.5}=20,故先 A。 直觉是:第一道题不仅决定第一笔奖金,还决定你有没有机会拿第二笔, 所以”容易对”这件事在第一位比在第二位值钱得多——B 的奖金虽是两倍, 但把通过率只有一半的它放在第一关,会把整条链掐掉一半。 (课本例 3 末尾”改变猜歌顺序,均值是否相同”问的正是这件事。)

习题7.3 第 7 题

  1. 甲、乙两种品牌的手表,它们的日走时误差分别为 X 和 Y(单位:s),其分布列为

甲品牌的走时误差分布列

XX-101
PP0.10.80.1

乙品牌的走时误差分布列

YY-2-1012
PP0.10.20.40.20.1

试比较甲、乙两种品牌手表的性能.

概率之和:0.1+0.8+0.1=10.1+0.8+0.1=1 ✓,0.1+0.2+0.4+0.2+0.1=10.1+0.2+0.4+0.2+0.1=1 ✓。

第一步:比均值(有没有系统性的快或慢)。

E(X)=(−1)×0.1+0×0.8+1×0.1=−0.1+0.1=0 (s),E(X)=(-1)\times 0.1+0\times 0.8+1\times 0.1=-0.1+0.1=0\ (\mathrm{s}) , E(Y)=(−2)×0.1+(−1)×0.2+0×0.4+1×0.2+2×0.1=0 (s).E(Y)=(-2)\times 0.1+(-1)\times 0.2+0\times 0.4+1\times 0.2+2\times 0.1=0\ (\mathrm{s}) .

两个均值相等,都是 00——按均值分不出高下(两种表长期都不快不慢), 这正是课本安排这道题的用意:均值失效,改看方差。

第二步:比方差(走时的稳定性)。 均值都是 00,故 D=E(X2)D=E(X^2):

D(X)=(−1)2×0.1+02×0.8+12×0.1=0.1+0.1=0.2,D(X)=(-1)^2\times 0.1+0^2\times 0.8+1^2\times 0.1=0.1+0.1=0.2 , D(Y)=(−2)2×0.1+(−1)2×0.2+02×0.4+12×0.2+22×0.1=0.4+0.2+0+0.2+0.4=1.2.D(Y)=(-2)^2\times 0.1+(-1)^2\times 0.2+0^2\times 0.4+1^2\times 0.2+2^2\times 0.1 =0.4+0.2+0+0.2+0.4=1.2 .

自检(定义式,均值为 00 时两式本就同形,这里核算术)。 D(X)=(−1−0)2×0.1+(0−0)2×0.8+(1−0)2×0.1=0.2D(X)=(-1-0)^2\times 0.1+(0-0)^2\times 0.8+(1-0)^2\times 0.1=0.2 ✓; D(Y)D(Y) 同理得 1.21.2 ✓。

结论:E(X)=E(Y)=0E(X)=E(Y)=0 而 D(X)=0.2<1.2=D(Y)D(X)=0.2<1.2=D(Y),所以甲品牌的手表走时更稳定、性能更好。

结论的实际含义。 标准差是与”秒”同单位的量: σ(X)=0.2≈0.45 s\sigma(X)=\sqrt{0.2}\approx 0.45\ \mathrm{s}、 σ(Y)=1.2≈1.10 s\sigma(Y)=\sqrt{1.2}\approx 1.10\ \mathrm{s},甲的日误差幅度只有乙的约 12.4\dfrac{1}{2.4}。 落到表上更直白:甲有 0.80.8 的天数日误差为 00、最坏也只差 1 s1\ \mathrm{s}; 乙只有 0.40.4 的天数为 00,还有 0.20.2 的天数差到 ±2 s\pm 2\ \mathrm{s}。 均值为 00 只说明”正负误差长期抵消”,抵消不等于准——买表要的是每天都准, 所以这里该认方差。

这道题的动作:均值打平,就把胜负交给方差。 与第 72 页那道机床题对照着看: 那道题均值与方差同向(乙两项全胜),本题均值相等、只差方差; 两道题合起来就是”数字特征怎么用”的完整样子——均值定水平,方差定稳定性。

习题7.3 第 8 题

  1. 设 E(X)=μE(X) = \mu ,aa 是不等于 μ\mu 的常数,探究 XX 相对于 μ\mu 的偏离程度与 XX 相对于 aa 的偏离程度的大小关系,并说明结论的意义.

先把”偏离程度”定义清楚。 本节度量”XX 相对于 μ\mu 的偏离程度”用的是偏差平方的加权平均, 也就是方差 D(X)=E[(X−μ)2]D(X)=E\bigl[(X-\mu)^2\bigr]。照同一个口径,”XX 相对于常数 aa 的偏离程度”就是

M(a)=E[(X−a)2]=∑i(xi−a)2pi,M(a)=E\bigl[(X-a)^2\bigr]=\sum_i (x_i-a)^2p_i ,

于是 M(μ)=D(X)M(\mu)=D(X),问题变成比较 M(a)M(a) 与 M(μ)M(\mu) 的大小。

把 X−aX-a 拆成两截再展开。 写 xi−a=(xi−μ)+(μ−a)x_i-a=(x_i-\mu)+(\mu-a),则

M(a)=∑i[(xi−μ)+(μ−a)]2pi=∑i(xi−μ)2pi+2(μ−a)∑i(xi−μ)pi+(μ−a)2∑ipi.M(a)=\sum_i\bigl[(x_i-\mu)+(\mu-a)\bigr]^2p_i =\sum_i (x_i-\mu)^2p_i+2(\mu-a)\sum_i (x_i-\mu)p_i+(\mu-a)^2\sum_i p_i .

三项逐个认:第一项是 D(X)D(X);第二项里

∑i(xi−μ)pi=∑ixipi−μ∑ipi=μ−μ=0,\sum_i (x_i-\mu)p_i=\sum_i x_ip_i-\mu\sum_i p_i=\mu-\mu=0 ,

整个中间项因此为零(这一步是全题的关键,它成立的原因正是 μ\mu 是均值); 第三项里 ∑ipi=1\sum_i p_i=1。所以

E[(X−a)2]=D(X)+(μ−a)2.E\bigl[(X-a)^2\bigr]=D(X)+(\mu-a)^2 .

结论。 因为 a≠μa\ne\mu,所以 (μ−a)2>0(\mu-a)^2>0,于是

E[(X−a)2]>D(X)=E[(X−μ)2].E\bigl[(X-a)^2\bigr]>D(X)=E\bigl[(X-\mu)^2\bigr] .

即 XX 相对于均值 μ\mu 的偏离程度严格小于它相对于任何其他常数 aa 的偏离程度; 换句话说,M(a)M(a) 在 a=μa=\mu 处取到最小值,最小值就是方差。

结论的意义(三层)。

  1. 解释了方差的定义为什么盯住 E(X)E(X) 不放。 减号后面换成别的常数,得到的数只会更大, 而且大出来的部分 (μ−a)2(\mu-a)^2 与 XX 的波动毫无关系——它纯粹是”基准选错”的代价。 只有以 μ\mu 为基准,量出来的才是 XX 自身的离散程度。
  2. 给了均值一个新身份:最优的单值代表。 若要用一个数去代表整个 XX, 并以平方偏差衡量代表得好不好,那么均值是最好的选择,方差就是这份”最好”仍然要付的误差。
  3. 它是最小二乘法的雏形。 后面统计里”用回归直线拟合数据”求的也是同一件事—— 让偏差平方的(加权)平均最小;这道题是它最简单的情形:用一个常数拟合一个随机变量。

顺带一条现成的用法。 把 a=0a=0 代进去就得到本节那个快速公式:

E(X2)=D(X)+μ2 ⟺ D(X)=E(X2)−(E(X))2.E(X^2)=D(X)+\mu^2\ \Longleftrightarrow\ D(X)=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2 .

这道题的动作:加一项减一项,把 X−aX-a 拆成”XX 到均值”加”均值到 aa”。 交叉项因均值的定义而消失,剩下的两项一个是方差、一个是非负的常数—— “配方”在概率里的样子就是这样。

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(2) 求 E(3X+2)E(3X+2) .

  1. 抛掷一枚硬币,规定正面向上得1分,反面向上得-1分,求得分X的均值.

  2. 甲、乙两台机床生产同一种零件,它们生产的产量相同,在 1h1\mathrm{h} 内生产出的次品数分别为 X1X_{1},X2X_{2},其分布列分别为

甲机床次品数的分布列

X1X_{1}0123
PP0.40.30.20.1

乙机床次品数的分布列

X2X_{2}012
PP0.30.50.2

哪台机床更好?请解释你所得出结论的实际含义.

7.3.2 离散型随机变量的方差

随机变量的均值是一个重要的数字特征,它反映了随机变量取值的平均水平或分布的“集中趋势”。因为随机变量的取值围绕其均值波动,而随机变量的均值无法反映波动幅度的大小。所以我们还需要寻找反映随机变量取值波动大小的数字特征。

问题 2 从两名同学中挑出一名代表班级参加射击比赛. 根据以往的成绩记录, 甲、乙两名同学击中目标靶的环数 X 和 Y 的分布列如表 7.3-6 和表 7.3-7 所示.

表 7.3-6

XX678910
PP0.090.240.320.280.07

表 7.3-7

YY678910
PP0.070.220.380.300.03

如何评价这两名同学的射击水平?

通过计算可得,

E(X)=8,E(Y)=8.E (X) = 8, E (Y) = 8.

因为两个均值相等,所以根据均值不能区分这两名同学的射击水平.

评价射击水平,除了要了解击中环数的均值外,还要考虑稳定性,即击中环数的离散程度。图7.3-2和图7.3-3分别是 XX 和 YY 的概率分布图,比较两个图形,可以发现乙同学的射击成绩更集中于8环,即乙同学的射击成绩更稳定。

思考

怎样定量刻画离散型随机变量取值的离散程度?

我们知道,样本方差可以度量一组样本数据的离散程度,它是通过计算所有数据与样本均值的“偏差平方的平均值”来实现的。一个自然的想法是,随机变量的离散程度能否用可能取值与均值的“偏差平方的平均值”来度量呢?

设离散型随机变量 X 的分布列如表 7.3-8 所示.

考虑 X 所有可能取值 xix_{i} 与 E(X)E(X) 的偏差的平方 (x1−E(X))2(x_{1}-E(X))^{2} , (x2−E(X))2(x_{2}-E(X))^{2} , ⋯\cdots , (xn−E(X))2(x_{n}-E(X))^{2} 。因为 X 取每个值的概率不尽相同,所以我们用偏差平方关于取值概率的加权平均,来度量随机变量 X 取值与其均值 E(X)E(X) 的偏离程度。我们称

D(X)=(x1−E(X))2p1+(x2−E(X))2p2+⋯+(xn−E(X))2pn=∑i=1n(xi−E(X))2pi\begin{array}{r l} D (X) & = (x _ {1} - E (X)) ^ {2} p _ {1} + (x _ {2} - E (X)) ^ {2} p _ {2} + \dots + (x _ {n} - E (X)) ^ {2} p _ {n} \\ & = \sum_ {i = 1} ^ {n} (x _ {i} - E (X)) ^ {2} p _ {i} \end{array}

为随机变量 X 的方差(variance),有时也记为 Var(X)Var(X) ,并称 D(X)\sqrt{D(X)} 为随机变量 X 的标准差(standard deviation),记为 σ(X)\sigma(X) .

随机变量的方差和标准差都可以度量随机变量取值与其均值的偏离程度,反映了随机变量取值的离散程度。方差或标准差越小,随机变量的取值越集中;方差或标准差越大,随机变量的取值越分散。

现在,可以用两名同学射击成绩的方差和标准差来刻画他们射击成绩的稳定性。由方差和标准差的定义,两名同学射击成绩的方差和标准差分别为

D(X)=∑i=610(i−8)2P(X=i)=1.16,D(X)≈1.077;D(Y)=∑i=610(i−8)2P(Y=i)=0.92,D(Y)≈0.959.\begin{array}{r l} D (X) & = \sum_ {i = 6} ^ {1 0} (i - 8) ^ {2} P (X = i) = 1. 1 6, \sqrt {D (X)} \approx 1. 0 7 7; \\ D (Y) & = \sum_ {i = 6} ^ {1 0} (i - 8) ^ {2} P (Y = i) = 0. 9 2, \sqrt {D (Y)} \approx 0. 9 5 9. \end{array}

因为 D(Y)<D(X)D(Y)<D(X) (等价地, D(Y)<D(X)\sqrt{D(Y)}<\sqrt{D(X)} ),所以随机变量 Y 的取值相对更集中,即乙同学的射击成绩相对更稳定.

在方差的计算中,利用下面的结论经常可以使计算简化.

D(X)=∑i=1n(xi−E(X))2pi=∑i=1n(xi2−2E(X)xi+(E(X))2)pi\begin{array}{r l} D (X) & = \sum_ {i = 1} ^ {n} (x _ {i} - E (X)) ^ {2} p _ {i} \\ & = \sum_ {i = 1} ^ {n} (x _ {i} ^ {2} - 2 E (X) x _ {i} + (E (X)) ^ {2}) p _ {i} \end{array}

=∑i=1nxi2pi−2E(X)∑i=1nxipi+(E(X))2∑i=1npi=∑i=1nxi2pi−(E(X))2.\begin{array}{l} = \sum_ {i = 1} ^ {n} x _ {i} ^ {2} p _ {i} - 2 E (X) \sum_ {i = 1} ^ {n} x _ {i} p _ {i} + (E (X)) ^ {2} \sum_ {i = 1} ^ {n} p _ {i} \\ = \sum_ {i = 1} ^ {n} x _ {i} ^ {2} p _ {i} - (E (X)) ^ {2}. \end{array}

方差描述随机变量取值的离散程度,了解方差的性质,除了简化计算外,还有助于更好地理解其本质.

探究

离散型随机变量 XX 加上一个常数,方差会有怎样的变化?离散型随机变量 XX 乘以一个常数,方差又有怎样的变化?它们和期望的性质有什么不同?

离散型随机变量 XX 加上一个常数 bb,其均值也相应加上常数 bb,故不改变 XX 与其均值的离散程度,方差保持不变,即

D(X+b)=D(X).D (X + b) = D (X).

而离散型随机变量 XX 乘以一个常数 aa ,其方差变为原方差的 a2a^2 倍,即

D(aX)=a2D(X).D (a X) = a ^ {2} D (X).

一般地,可以证明下面的结论成立:

D(aX+b)=a2D(X).D (a X + b) = a ^ {2} D (X).

例 5 抛掷一枚质地均匀的骰子,求掷出的点数 X 的方差.

解:随机变量 X 的分布列为

P(X=k)=16,k=1,2,3,4,5,6.P (X = k) = \frac {1}{6}, k = 1, 2, 3, 4, 5, 6.

因为

E(X)=72,∑k=16(k2×16)=16(12+22+32+42+52+62)=916,E (X) = \frac {7}{2}, \sum_ {k = 1} ^ {6} (k ^ {2} \times \frac {1}{6}) = \frac {1}{6} (1 ^ {2} + 2 ^ {2} + 3 ^ {2} + 4 ^ {2} + 5 ^ {2} + 6 ^ {2}) = \frac {9 1}{6},

所以

D(X)=∑k=16(k2×16)−(72)2=3512.D (X) = \sum_ {k = 1} ^ {6} (k ^ {2} \times \frac {1}{6}) - \left(\frac {7}{2}\right) ^ {2} = \frac {3 5}{1 2}.

例 6 投资 A, B 两种股票, 每股收益的分布列分别如表 7.3-9 和表 7.3-10 所示.

(1) 投资哪种股票的期望收益大?

(2) 投资哪种股票的风险较高?

分析:股票投资收益是随机变量,期望收益就是随机变量的均值。投资风险是指收益的不确定性,在两种股票期望收益相差不大的情况下,可以用收益的方差来度量它们的投资风险高低,方差越大风险越高,方差越小风险越低。

解:(1)股票 A 和股票 B 投资收益的期望分别为

E(X)=(−1)×0.1+0×0.3+2×0.6=1.1,E (X) = (- 1) \times 0. 1 + 0 \times 0. 3 + 2 \times 0. 6 = 1. 1,

E(Y)=0×0.3+1×0.4+2×0.3=1.E (Y) = 0 \times 0. 3 + 1 \times 0. 4 + 2 \times 0. 3 = 1.

因为 E(X)>E(Y)E(X) > E(Y) ,所以投资股票 A 的期望收益较大.

(2) 股票 A 和股票 B 投资收益的方差分别为

D(X)=(−1)2×0.1+02×0.3+22×0.6−1.12=1.29,D (X) = (- 1) ^ {2} \times 0. 1 + 0 ^ {2} \times 0. 3 + 2 ^ {2} \times 0. 6 - 1. 1 ^ {2} = 1. 2 9,

D(Y)=02×0.3+12×0.4+22×0.3−12=0.6.D (Y) = 0 ^ {2} \times 0. 3 + 1 ^ {2} \times 0. 4 + 2 ^ {2} \times 0. 3 - 1 ^ {2} = 0. 6.

● ●

因为 E(X)E(X) 和 E(Y)E(Y) 相差不大,且 D(X)>D(Y)D(X) > D(Y) ,所以投资股票 A 比投资股票 B 的风险高.

在实际中,可以选择适当的比例投资两种股票,使期望收益最大或风险最小.

随机变量的方差是一个重要的数字特征,它刻画了随机变量的取值与其均值的偏离程度,或者说反映随机变量取值的离散程度。在不同的实际问题背景中,方差可以有不同的解释。例如,如果随机变量是某项技能的测试成绩,那么方差的大小反映了技能的稳定性;如果随机变量是加工某种产品的误差,那么方差的大小反映了加工的精度;如果随机变量是风险投资的收益,那么方差的大小反映了投资风险的高低;等等。

练习

  1. 已知随机变量 X 的分布列为
XX1234
PP0.20.30.40.1

求 D(X)D(X) 和 σ(2X+7)\sigma (2X + 7)

  1. 若随机变量 X 满足 P(X=c)=1P(X=c)=1 ,其中 c 为常数,求 D(X)D(X) .

  2. 甲、乙两个班级同学分别目测数学教科书的长度,其误差 XX 和 YY (单位: cm\mathrm{cm} )的分布列如下:

甲班的目测误差分布列

XX-2-1012
PP0.10.20.40.20.1

乙班的目测误差分布列

YY-2-1012
PP0.050.150.60.150.05

先直观判断 X 和 Y 的分布哪一个离散程度大,再分别计算 X 和 Y 的方差,验证你的判断.

习题7.3

复习巩固

  1. 某品牌手机投放市场,每部手机可能发生按定价售出、打折后售出、没有售出而收回三种情况。按定价售出每部利润100元,打折后售出每部利润0元,没有售出而收回每部利润-300元。据市场分析,发生这三种情况的概率分别为0.6,0.3,0.1。求每部手机利润的均值和方差。

  2. 现要发行 10 000 张彩票,其中中奖金额为 2 元的彩票 1 000 张,10 元的彩票 300 张,50 元的彩票 100 张,100 元的彩票 50 张,1 000 元的彩票 5 张。1 张彩票中奖金额的均值是多少元?

  3. 随机变量 XX 的分布列为 P(X=0)=0.2P(X = 0) = 0.2,P(X=1)=aP(X = 1) = a,P(X=2)=bP(X = 2) = b。若 E(X)=1E(X) = 1,求 aa 和 bb。

  4. 在单项选择题中,每道题有四个选项,其中仅有一个选项正确。如果从四个选项中随机选一个,选对的概率为0.25。请给选对和选错分别赋予合适的分值,使得随机选择时得分的均值为0。

  5. 证明: D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^{2}D(X) .

综合运用

  1. 有 A 和 B 两道谜语,张某猜对 A 谜语的概率为 0.8,猜对得奖金 10 元;猜对 B 谜语的概率为 0.5,猜对得奖金 20 元。规则规定:只有在猜对第一道谜语的情况下,才有资格猜第二道。如果猜谜顺序由张某选择,他应该选择先猜哪一道谜语?

  2. 甲、乙两种品牌的手表,它们的日走时误差分别为 X 和 Y(单位:s),其分布列为

甲品牌的走时误差分布列

XX-101
PP0.10.80.1

乙品牌的走时误差分布列

YY-2-1012
PP0.10.20.40.20.1

试比较甲、乙两种品牌手表的性能.

拓广探索

  1. 设 E(X)=μE(X) = \mu ,aa 是不等于 μ\mu 的常数,探究 XX 相对于 μ\mu 的偏离程度与 XX 相对于 aa 的偏离程度的大小关系,并说明结论的意义.