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抛硬币是概率论中最常见的随机试验,不仅因为硬币很常见,也因为抛硬币试验中,随机变量的分布是最简单的等概率分布。
等概率分布,顾名思义,就是随机变量每一个取值的出现概率都相等。在概率论的发展初期,等概率分布是主要研究对象,后人也把与抛硬币、掷骰子相似的随机试验称为“古典概型”。下面,我们使用“从特殊到一般”的归纳思想来学习等概率分布。
以抛硬币为例,反面记为0,正面记为1,随机变量X为抛硬币一次的得分,那么,X的分布可以写为
X的期望是
E(X)=0×P(X=0)+1×P(X=1)=1/2
X的方差是
Var(X)=P(X=0)×[0-E(X)]2+P(X=1)×[1-E(X)]2={[0-E(X)]2+[1-E(X)]2}/2
再以掷骰子为例,随机变量Y为掷一个骰子的点数,那么,Y的分布可以写为
Y的期望是
E(Y)=1×P(Y=1)+2×P(Y=2)+…+6×P(Y=6)=(1+2+…+6)/6=3.5
Y的方差是
Var(Y)=P(Y=1)×[1-E(Y)]2+P(Y=2)×[2-E(Y)]2+…+P(Y=6)×[6-E(Y)]2={[1-E(Y)]2+[2-E(Y)]2+…+[6-E(Y)]2}/6
我们仔细观察上面的分布和期望、方差计算公式,可以从这些个例中归纳出等概率分布的通用表达。
随机变量X有n个取值a1,a2,…,an,每个取值出现的概率相等,那么,随机变量X的分布可以记为
P(X=ak)=1/n,k=1,2,…,n
E(X)=(a1+a2+…+an)/n=Σak/n
Var(X)={[a1-E(X)]2+[a2-E(X)]2+…+[an-E(X)]2}/n=∑[ak-E(X)]2/n
(注:∑是求和符号,表示对k的不同取值求和。)
上面的三个公式便是等概率分布的分布、期望和方差的计算公式,再次遇到等概率分布的问题时,我们可以直接使用这些公式来计算分布、期望和方差。