浙江 2017 · 数学 q08

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2017 · 数学 q08 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

8.(5 分)已知随机变量ξi\xi_{i}满足P(ξi=1)=piP ( \xi_{i} = 1 ) = p_{i},P(ξi=0)=1−piP ( \xi_{i} = 0 ) = 1 - p_{i},i=1,2.若0<p1<p2<120 < p_{1} < p_{2} < \frac{1}{2},则( )

A.E(ξ1)<E(ξ2)E ( \xi_{1} ) < E ( \xi_{2} ),D(ξ1)<D(ξ2)D ( \xi_{1} ) < D ( \xi_{2} ) B.E(ξ1)<E(ξ2)E ( \xi_{1} ) < E ( \xi_{2} ),D(ξ1)>D(ξ2)D ( \xi_{1} ) > D ( \xi_{2} ) C.E(ξ1)>E(ξ2)E ( \xi_{1} ) > E ( \xi_{2} ),D(ξ1)<D(ξ2)D ( \xi_{1} ) < D ( \xi_{2} ) D.E(ξ1)>E(ξ2)E ( \xi_{1} ) > E ( \xi_{2} ),D(ξ1)>D(ξ2)D ( \xi_{1} ) > D ( \xi_{2} )

答案

A

本题的知识树

4 概念 · 1 题型 · 2 套路 · 1 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

两点分布比期望与方差 · 代定义算出 E 与 D 再作差定号,或把两者都看成 p 的函数读单调性 · 最终答案:A

冷启动:题面那两行,说的是一张只有两格的表

题面给的是

P(ξi=1)=pi,P(ξi=0)=1−pi,i=1,2P(\xi_i=1)=p_i,\qquad P(\xi_i=0)=1-p_i,\qquad i=1,2

翻译过来:ξi\xi_i 这个随机变量只能取 00 或 11 两个值,取 11 的概率是 pip_i,取 00 的概率是剩下的 1−pi1-p_i。 把它写成分布列,就是一张只有两格的表:

ξi\xi_i0011
PP1−pi1-p_ipip_i

(两格概率相加是 11,合法。)这种分布叫两点分布,它的全部信息就是一个数 pip_i。

要比的两个量:

  • 期望 E(ξ)E(\xi)——「平均下来是多少」,算法是每个取值乘它的概率再相加: E(ξ)=∑xkP(ξ=xk)E(\xi)=\sum x_k P(\xi=x_k)
  • 方差 D(ξ)D(\xi)——「平均偏离期望多远的平方」,算法是每个取值与期望的差的平方,乘它的概率再相加: D(ξ)=∑(xk−E(ξ))2P(ξ=xk)D(\xi)=\sum (x_k-E(\xi))^{2}P(\xi=x_k) 方差量的是波动大小:它越大,结果越飘忽;越小,结果越接近一个定数。

题目给的约束是

0<p1<p2<120<p_1<p_2<\frac12

这个 12\dfrac12 不是随手写的上界,它是这道题的全部机关所在——下面两条路都会走到它。

教学图:横轴是 p 从 0 到 1,画着两条曲线:蓝色直线 E(ξ)=p 一路上升,绿色抛物线 D(ξ)=p(1−p) 在 p=1/2 处到顶再下降;红色竖虚线标出 p=1/2 是 D 的顶点、过了它 D 就掉头往下;左半边 0 到 1/2 铺成浅绿带子,注明题目把 p₁、p₂ 关在这条带子里,带子内两个取样点 p₁<p₂ 各在两条曲线上打点;底部结论写着这一段上 E 与 D 都在上升,故 E(ξ₁)<E(ξ₂)、D(ξ₁)<D(ξ₂),官方答案 A

解法一:代定义算出 E 与 D,再作差定号

怎么想到的。 两个量都有现成的定义式,分布列又只有两格——直接代进去,一定能算出闭形式。 算出来之后要比大小,最稳的办法永远是作差,然后判这个差的符号。

① 算期望。 两格分别乘上概率再相加:

E(ξi)=1×pi+0×(1−pi)=piE(\xi_i)=1\times p_i+0\times(1-p_i)=p_i

也就是说,两点分布的期望就是 pp 本身。于是由 p1<p2p_1<p_2 立刻得

E(ξ1)<E(ξ2)E(\xi_1)<E(\xi_2)

这一条把 C、D 两个选项直接淘汰(它们都写成 E(ξ1)>E(ξ2)E(\xi_1)>E(\xi_2))。

② 算方差。 期望已经知道是 pip_i,代定义式:

D(ξi)=(1−pi)2⋅pi+(0−pi)2⋅(1−pi)=pi(1−pi)[(1−pi)+pi]=pi(1−pi)=pi−pi2\begin{aligned} D(\xi_i)&=(1-p_i)^{2}\cdot p_i+(0-p_i)^{2}\cdot(1-p_i)\\ &=p_i(1-p_i)\bigl[(1-p_i)+p_i\bigr]\\ &=p_i(1-p_i)=p_i-p_i^{2} \end{aligned}

(中间那一步把两项的公因式 pi(1−pi)p_i(1-p_i) 提出来,方括号里正好是 11。)

③ 作差,判符号。 这是关键一步:

D(ξ1)−D(ξ2)=(p1−p12)−(p2−p22)=(p1−p2)−(p12−p22)=(p1−p2)−(p1−p2)(p1+p2)=(p1−p2)[1−(p1+p2)]\begin{aligned} D(\xi_1)-D(\xi_2)&=(p_1-p_1^{2})-(p_2-p_2^{2})\\ &=(p_1-p_2)-(p_1^{2}-p_2^{2})\\ &=(p_1-p_2)-(p_1-p_2)(p_1+p_2)\\ &=(p_1-p_2)\bigl[1-(p_1+p_2)\bigr] \end{aligned}

现在逐个看两个因子的符号:

  • p1−p2<0p_1-p_2<0,因为题目给了 p1<p2p_1<p_2;
  • 1−(p1+p2)>01-(p_1+p_2)>0,因为 p1<12p_1<\dfrac12 且 p2<12p_2<\dfrac12,两个一加还是小于 11。

负数乘正数是负数,所以

D(ξ1)−D(ξ2)<0⟹D(ξ1)<D(ξ2)D(\xi_1)-D(\xi_2)<0\quad\Longrightarrow\quad D(\xi_1)<D(\xi_2)

两条合起来:E(ξ1)<E(ξ2)E(\xi_1)<E(\xi_2) 且 D(ξ1)<D(ξ2)D(\xi_1)<D(\xi_2),故选 A。

看清楚 12\dfrac12 是在哪一步用上的。 整道题里,pi<12p_i<\dfrac12 这个条件只在第 ③ 步起了作用—— 它保证 p1+p2<1p_1+p_2<1,从而第二个因子为正。把上界换成 11(即只给 0<p1<p2<10<p_1<p_2<1), 第二个因子的符号就说不准了,DD 的大小关系随之也说不准。

解法二:把 E、D 都看成 p 的函数,读单调性

怎么想到的。 上一条路作了一次差、分解了一次因式。可回头看第 ① ② 步的结果:

E=p,D=p−p2E=p,\qquad D=p-p^{2}

两个都是关于 pp 的初等函数——那么「pp 变大时它们怎么变」根本不用作差, 画出来(或配一次方)直接就看见了。比大小的问题于是变成读单调性的问题。

① E=pE=p:一条直线。 斜率为 11,在整个 [0,1][0,1] 上一路上升。所以 pp 大的那个期望就大,没有例外。

② D=p−p2D=p-p^{2}:一条开口向下的抛物线。 配方:

D=−(p−12)2+14D=-\left(p-\frac12\right)^{2}+\frac14

读出三件事:开口向下(−1<0-1<0)、对称轴 p=12p=\dfrac12、最大值 14\dfrac14。于是

D 在 (0,12) 上递增,D 在 (12,1) 上递减D\ \text{在}\ \left(0,\tfrac12\right)\ \text{上递增},\qquad D\ \text{在}\ \left(\tfrac12,1\right)\ \text{上递减}

③ 看题目把 pp 放在了哪一边。 条件是 0<p1<p2<120<p_1<p_2<\dfrac12——两个点都在对称轴左边, 正落在 DD 递增的那一段上。既然 p1<p2p_1<p_2,就有

E(ξ1)<E(ξ2)且D(ξ1)<D(ξ2)E(\xi_1)<E(\xi_2)\quad\text{且}\quad D(\xi_1)<D(\xi_2)

确认 A。

这两条路差在哪。 解法一是万能的:无论 p1p_1、p2p_2 落在哪儿,作差分解总能给出符号 (若两点分居 12\dfrac12 两侧,那个因子 1−(p1+p2)1-(p_1+p_2) 的符号也照样能判)。 解法二快得多,而且看得见——但它吃一个前提:两个点必须落在同一段单调区间里。 一左一右时,「谁大」不再由 pp 决定,而由「谁离 12\dfrac12 更近」决定,这时读单调性就不够了。 所以顺序是:先看两个 pp 是不是同在 12\dfrac12 的一侧,是就走解法二,不是就退回解法一作差。

四个选项的来路。

选项说法错在哪
AE1<E2E_1<E_2,D1<D2D_1<D_2正确
BE1<E2E_1<E_2,D1>D2D_1>D_2期望判对了,方差用错了「另外半边」的结论——那是 p>12p>\dfrac12 时才对的
CE1>E2E_1>E_2,D1<D2D_1<D_2期望判反:E=pE=p 就是 pp 本身,p1<p2p_1<p_2 不可能推出 E1>E2E_1>E_2
DE1>E2E_1>E_2,D1>D2D_1>D_2两个都判反

真正的分水岭是 B。 「概率越接近 12\dfrac12,结果越难猜、方差越大」这句话是对的, 而且很多人记得住;出错是因为把它简化成了「pp 越大方差越小」—— 那只在 p>12p>\dfrac12 时成立。决定方差大小的从来不是 pp 本身,而是 pp 离 12\dfrac12 有多远。 记住这一句,B 就骗不到人。

一个值得单独记住的结论。 两点分布的 E(ξ)=p,D(ξ)=p(1−p)≤14E(\xi)=p,\qquad D(\xi)=p(1-p)\le\frac14 方差的最大值 14\dfrac14 在 p=12p=\dfrac12 处取到——任何只取两个值的随机变量, 只要把取值缩放到 00 与 11,方差都跑不出 [0,14]\left[0,\dfrac14\right]。

本题涉及的教材页

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