通过两个骰子游戏理解概率论方差

2020年1月1日10:05:12通过两个骰子游戏理解概率论方差已关闭评论

•骰子游戏3

通过两个骰子游戏理解概率论方差

图1-1

如图1-1所示,骰子3有六个面,却只有两个点数——一点和五点,表1-1列出了随机变量X的取值和概率,由此可以求得期望:

E(X)=(1/6)×1+(1/6)×1+(1/6)×1+(1/6)×5+ (1/6)×5+(1/6)×5 =3

骰子3的点数期望与骰子2一样,可是,这两个骰子明显是不同的,这时我们需要用方差来区分这两个骰子。

表1-1 骰子游戏2中随机变量取值和概率

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方差是随机变量取值与期望之差的平方,以对应概率为权重的加权求和。换言之,随机变量的每一个取值减去期望,求平方,再乘以它对应的概率,最后求和,就得到了随机变量的期望。

标准差是方差的平方根,是与期望具有可比性的一个特征值。

设随机变量X有n个取值,分别是x1,x2,…,xn,对应的概率分别是p1,p2,…,pn,那么随机变量X的方差Var(X)和标准差σ(X)分别是

Var(X)=p1·[x1-E(X)]2+p2·[x2-E(X)]2+…+pn·[xn-E(X)]2

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方差和标准差总是在一起使用,用来表示随机变量偏离期望的程度,偏离的程度越大,方差和标准差也越大,反之则越小。

以骰子2和骰子3为例,前面已经计算过,它们的点数期望都是3,我们来计算方差和标准差。

骰子2的点数的方差是:

Var(X)=(1/6)×(1-3)2+(1/6)×(2-3)2+(1/6)×(3-3)2+ (1/6)×(3-3)2+(1/6)×(4-3)2+(1/6)×(5-3)2=1.67

骰子2的点数的标准差是:

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骰子3的点数的方差是:

Var(X)=(1/6)×(1-3)2+(1/6)×(1-3)2+(1/6)×(1-3)2+ (1/6)×(5-3)2+(1/6)×(5-3)2+(1/6)×(5-3)2=4

骰子3的点数的标准差是:

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很明显,骰子3的点数方差大于骰子2的点数方差,这说明骰子3的点数距离期望值更“远”一些,或者说,骰子3的点数更加分散,这一点从表2-5和表2-6中也可以看出。如果点数距离期望值非常近会怎样呢?

•骰子游戏4

如图1-1所示,骰子4有六个面,每个面都是三点,表1-2列出了随机变量X的取值和概率,由此可以求得期望:

E(X)=(1/6)×3+(1/6)×3+(1/6)×3+(1/6)×3+ (1/6)×3+(1/6)×3 =3

方差:

Var(X)=(1/6)×(3-3)2+(1/6)×(3-3)2+(1/6)×(3-3)2+(1/6)×(3-3)2+(1/6)×(3-3)2+(1/6)×(3-3)2=0

标准差自然也是0。

表1-2 骰子游戏4中随机变量取值和概率

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骰子游戏4是一个极限情况,即随机变量的每一个值都一样,这时,期望一定就是这个值,方差也一定是0——方差和标准差的最小值。事实上,这样的极端情况仅存在理论可能性,并无实际意义,骰子的所有点数都相同,又何谈随机变量和概率呢?

 

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