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文檔簡介
在蘇教版數(shù)學(xué)選修2-3的課本中,第二章概率的2.2節(jié)和2.4節(jié)分別介紹了兩種離散型隨機(jī)變量的概率分布,超幾何分布(hyper-geometric distribution)與二項(xiàng)分布(binomial distribution)。通過實(shí)例,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)模型所刻畫的隨機(jī)變量的共同特點(diǎn),從而建立新的模型, 并能運(yùn)用兩模型解決一些實(shí)際問題。 然而在教學(xué)過程中,卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生不能準(zhǔn)確地辨別所要解決的問題是屬于超幾何分布還是二項(xiàng)分布, 學(xué)生對這兩模型的定義不能很好的理解, 一遇到含“取”或“摸”的題型, 就認(rèn)為是超幾何分布,不加分析, 隨便濫用公式。 事實(shí)上, 超幾何分布和二項(xiàng)分布確實(shí)有著密切的聯(lián)系,但也有明顯的區(qū)別。課本對于超幾何分布的定義是這樣的:一般的,若一個(gè)隨機(jī)變量X的分布列為,其中,則稱X服從超幾何分布,記為。其概率分布表為: 對于二項(xiàng)分布的定義是這樣的:若隨機(jī)變量X的分布列為,其中則稱X服從參數(shù)為n,p的二項(xiàng)分布,記為。其概率分布表為: 超幾何分布與二項(xiàng)分布都是取非負(fù)整數(shù)值的離散分布,表面上看,兩種分布的概率求取有截然不同的表達(dá)式,但看它們的概率分布表,會(huì)發(fā)現(xiàn)構(gòu)造上的相似點(diǎn),如:隨機(jī)變量X的取值都從0連續(xù)變化到l,對應(yīng)概率和N,n,l三個(gè)值密切相關(guān)可見兩種分布之間有著密切的聯(lián)系。課本中對超幾何分布的模型建立是這樣的:若有N件產(chǎn)品,其中M件是廢品,無返回地任意抽取n件,則其中恰有的廢品件數(shù)X是服從超幾何分布的。而對二項(xiàng)分布則使用比較容易理解的射擊問題來建立模型。若將但超幾何分布的概率模型改成:若有N件產(chǎn)品,其中M件是廢品,有返回的任意抽取n件,則其中恰有的廢品件數(shù)X是服從二項(xiàng)分布的。在這里,兩種分布的差別就在于“有”與“無”的差別,只要將概率模型中的“無”改為“有”,或?qū)ⅰ坝小备臑椤盁o”,就可以實(shí)現(xiàn)兩種分布之間的轉(zhuǎn)化。“返回”和“不返回”就是兩種分布轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。如在2.2節(jié)有這樣一個(gè)例題:高三(1)班的聯(lián)歡會(huì)上設(shè)計(jì)了一項(xiàng)游戲:在一個(gè)口袋中裝有10個(gè)紅球、20個(gè)白球,這些球除顏色外完全相同,一次從中摸出5個(gè)球,摸到4個(gè)紅球1個(gè)白球就是一等獎(jiǎng),求獲一等獎(jiǎng)的概率。本題采用的解法是摸出球中的紅球個(gè)數(shù)X服從超幾何分布,但是如果將“一次從中摸出5個(gè)球”改為“摸出一球記下顏色,放回后再摸一球,反復(fù)5次”,則摸出球中的紅球個(gè)數(shù)X將不再服從超幾何分布,而是服從二項(xiàng)分布。我們分別來計(jì)算兩種分布所對應(yīng)的概率:這時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)兩種不同的分布其對應(yīng)的概率之間的差距進(jìn)一步縮小了,我們做出這樣的猜想:樣本個(gè)數(shù)越大超幾何分布和二項(xiàng)分布的對應(yīng)概率相差就越小,當(dāng)樣本個(gè)數(shù)為無窮大時(shí),超幾何分布和二項(xiàng)分布的對應(yīng)概率就相等,換而言之超幾何分布的極限就是二項(xiàng)分布!也就是說。下面我們對以上猜想作出證明:產(chǎn)品個(gè)數(shù)N無限大,設(shè)廢品率為p,則 ,以上的證明與我們的直觀思想相吻合:在廢品為確定數(shù)M的足夠多的產(chǎn)品中,任意抽取n個(gè)(由于產(chǎn)品個(gè)數(shù)N無限多,無返回與有返回?zé)o區(qū)別,故可看作n次獨(dú)立試驗(yàn))中含有k個(gè)廢品的概率當(dāng)然服從二項(xiàng)分布。在這里,超幾何分布轉(zhuǎn)化為二項(xiàng)分布的條件是(1)產(chǎn)品個(gè)數(shù)應(yīng)無限多,否則無返回地抽取n件產(chǎn)品是不能看作n次獨(dú)立試驗(yàn)的.(2)在產(chǎn)品個(gè)數(shù)N無限增加的過程中,廢品數(shù)應(yīng)按相應(yīng)的“比例”增大,否則上述事實(shí)也是不成立的。對于超幾何分布的數(shù)學(xué)期望,二項(xiàng)分布的數(shù)學(xué)期望,當(dāng)我們將“不返回”改為“返回”時(shí),兩種分布的數(shù)學(xué)期望相等,方差之間沒有相等關(guān)系。超幾何分布和二項(xiàng)分布的數(shù)學(xué)期望和方差是否也具有我們以上猜想并證明的極限關(guān)系呢?事實(shí)上超幾何分布的數(shù)學(xué)期望,方差當(dāng)這兩個(gè)極限值分別是二項(xiàng)分布的數(shù)學(xué)期望與方差。需要指明的是這一性質(zhì)并非只為超幾何分布與二項(xiàng)分布之間所具有,一般地,如果隨機(jī)變量依分布收斂于隨機(jī)變量,則隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望和方差分別是隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望和方差的極限。這樣超幾何分布與二項(xiàng)分布達(dá)到了統(tǒng)一。一般說來,有返回抽樣與無返回抽樣計(jì)算的概率是不同的,特別在抽取對象數(shù)目不大時(shí)更是如此。但當(dāng)被抽取的對象數(shù)目較大時(shí),有返回抽樣與無返回抽樣所計(jì)算的概率相差不大,人們在實(shí)際工作中常利用這一點(diǎn),把抽取對象數(shù)量較大時(shí)的無返回抽樣(例如破壞性試驗(yàn)發(fā)射炮彈;產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)等),當(dāng)作有返回來處理。那么,除了在有無“返回”上做文章,有沒有什么辦法快速實(shí)現(xiàn)超幾何分布向二項(xiàng)分布的轉(zhuǎn)化呢?設(shè)想N件產(chǎn)品裝在一個(gè)大袋中,其中M件為廢品,無返回地從中抽取n件,那么其中廢品件數(shù) X服從超幾何分布。現(xiàn)若在大袋中再放進(jìn)兩個(gè)小袋,一袋裝正品,一袋裝廢品,然后從大袋中任摸一個(gè)小袋,無返回地從中任取一件產(chǎn)品,則這樣任取n件,其中廢品件數(shù)X就不再服從超幾何分布,而應(yīng)服從的二項(xiàng)分布了。事實(shí)上,我們把摸到正品袋中的產(chǎn)品看作“成功”,摸到廢品袋中的產(chǎn)品看作“失敗”,則“成功”與“失敗”的概率相等,皆為且每次試驗(yàn)是相互獨(dú)立的,正是典型的伯努力試驗(yàn)概型,因此可用二項(xiàng)分布去刻劃其概率分布列。,從這一點(diǎn)上講,兩種分布僅“一袋之隔”。將正品和廢品隔離,則超幾何分布將成為二項(xiàng)分布。超幾何分布和二項(xiàng)分布這兩種離散型隨機(jī)
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