高二数学精品教案233离散型随机变量的期望与方差二选修23

示范教案一(离散型随机变量的期望与方差第4课时)●课题§1.2.2离散型随机变量的期望与方差(二)●教学目标(一)教学知识点1.离散型随机变量的方差(Dξ)的概念，标准差(σξ)的概念.2.离散型随机变量η=aξ+b(其中ξ为随机变量)的方差D(aξ+b)=a2·Dξ的推导.3.服从二项分布的离散型随机变量ξ(即ξ~B(n,p))的方差Dξ=npq.(二)能力训练要求1.会根据离散型随机变量的分布列求出方差值、标准差(σξ)的值.2.会求随机变量η=aξ+b的方差值(D(aξ+b)=a2Dξ),ση的值和服从二项分布的随机变量ξ~B(n,p)的方差值、标准差σξ的值的计算.3.能根据随机变量的方差值、期望值等求出某个变量值时的概率，也就是逆向思维的运用.[来源:]4.会运用期望和方差的计算公式、方法解决生产生活中实际问题.(三)德育渗透目标1.通过实例和对初中知识的回顾培养学生的直觉思维中的类比能力，培养学生的辩证思维能力.2.培养学生要学会观察问题、分析问题和解决问题的能力，学会用数学眼光分析自己周边的事物，抽象概括为数学模型，要体现生活与数学的关系.3.培养学生的坚强意志、勤于思考、动手动脑等非智力因素.培养学生的健全的人格，让更多的学生有更好的发展.●教学重点离散型随机变量的方差是随机变量的另一个重要特征数(或数字特征)，也是对随机变量的一种简明扼要的描写.随机变量的方差表现了随机变量所取的值相对于它的期望的集中与离散的程度.随机变量ξ的方差就是另一个与ξ密切相关的随机变量(ξ－Eξ)2的均值.两个计算方差的简单公式：(1)D(aξ+b)=a2Dξ;(2)如果ξ~B(n,p),则Dξ=npq(这里q=1－p).●教学难点离散型随机变量的方差Dξ的定义引入是教学的难点，两个方差的计算公式D(aξ+b)=a2Dξ，若ξ~B(n,p)则Dξ=npq的证明是另一个难点.第一个难点的原因是：由于教科书没有引入随机变量函数的一般定义，故只有从初中代数的回顾中提出问题，给出方差定义.●教学方法建构主义观点在高中数学课堂教学中的实践法.在学生已经掌握离散型随机变量分布列及数学期望的认知水平上，利用直觉类比的方法对离散型随机变量的期望及初中代数中的一组数据的方差概念进行同化或顺应，然后再进行整合，得到离散型随机变量的方差的概念.[来源:]●教具准备投影仪或实物投影仪.幻灯片§1.2.2(二)A例3：有A、B两种钢筋，从中各取等量样品检查它们的抗拉强度指标如下：●教学过程Ⅰ.课题导入在初中代数中我们曾经学过这样一个问题：设在一组数据x1,x2,…,xn中，各数据与它们的平均数x的差的平方分别是(x1－x)2,(x2－x)2,…,(xn－x)2,那么S2=n1［(x1－x)2+(x2－x)2+…+(xn－x)2］叫做这组数据的方差.(板书)请问对于离散型随机变量ξ所有可能取的值对应的概率分布是否也有方差呢？答案是：“有！”如何定义呢？这就是我们今天来学习的课题：离散型随机变量的期望与方差(二)——方差.(板书课题)Ⅱ．讲授新课1.方差概念的导入［师］如果离散型随机变量ξ所有可能取的值是x1,x2,…,xn,…，且取这些值的概率分别是p1,p2,…,pn,…,(板书)，那么，如何定义ξ的方差呢？请同学们先讨论，然后再来总结.［生］(稍过片刻后)因为ξ的期望它是反映了离散型随机变量取值的平均水平，这与我们其中ξA、ξB分别表示A、B两种钢筋的抗拉强度，在使用时要求钢筋的抗拉强度不低于120.试比较A、B两种钢筋哪一种质量较好？初中所学过的一组数据x1，x2，…，xn的平均值的意义是相同的，由初中所学过的一组数据的方差定义直接类比有：把n1［(x1－Eξ)2+(x2－Eξ)2+…+(xn－Eξ)2］定义为随机变量ξ的方差.［师］初中我们学习的一组数据的方差的概念，这一组中的个数是有限的，而这个离散型随机变量ξ的取值是有限还是无限呢？其二，一组数据中每一个出现的频率都是一样的，即为n1，而离散型随机变量ξ所有可能取值对应的概率是否相同呢？请同学们再从这两点出发，结合离散型随机变量ξ的期望定义，也要看看初中学习的平均数的定义，由几点出发能否得到离散型随机变量ξ的方差的定义呢？(课堂上的学术研讨气氛十分浓厚，他们按照划分的学习小组进行讨论研究，教师也参与进去，个别指导或旁听或解疑或解答学生的问题)［生］(片刻后)我们可以进行这样的类比：一组数据：x1，x2，…，xn类比离散型随机变量ξ取值：x1，x2，…，xn，…平均值nxxxxn21类比期望Eξ=x1p1+x2p2+…+xnpn+…方差S2=n1［(x1－x)2+(x2－x)2+…+(xn－x)2］类比方差：(x1－Eξ)2p1+(x2－Eξ)2p2+…+(xn－Eξ)2pn+….［师］刚才这位同学的类比是否合理呢？这是完全正确的.(开始板书下列内容)：把Dξ=(x1－Eξ)2p1+(x2－Eξ)2p2+…+(xn－Eξ)2pn+…叫做随机变量ξ的均方差，简称为方差.Dξ的算术平方根D叫做随机变量ξ的标准差，记作σξ.“σ”读作(国际音标)这就是随机变量ξ的方差和标准差的定义.由此可以看出，类比固然可以引导我们走向成功一面，但也会把我们领入歧途.我们知道初中学习的方差它是说明了这组数据的波动情况，类似地离散型随机变量ξ的方差Dξ和标准差σξ的实际意义是什么呢？［生］这两个数学量都是反映了随机变量取值的稳定与波动、集中与离散的程度.(板书)［师］在学习数学期望时，我们证明E(aξ+b)=aEξ+b，你们能猜想出D(aξ+b)的式子吗？［生］D(aξ+b)也是满足线性关系，即D(aξ+b)=aDξ+b.［师］这仅仅是猜想，你能证明吗？［生］可以，利用定义直接推导.(他走上讲台，在黑板上写道)∵E(aξ+b)=aEξ+b.P(η=axi+b)=P(ξ=xi)(i=1，2，3，…，n，…).∴D(aξ+b)=［ax1+b－E(aξ+b)］2p1+［(ax2+b)－E(aξ+b)］2p2+…+［(axn+b)－E(aξ+b)］2pn+…=(ax1+b－aEξ－b)2p1+(ax2+b－aEξ－b)2p2+(ax3b－aEξ－b)2p3+…+(axn+b－aEξ－b)2pn+…=(ax1－aEξ)2p1+(ax2－aEξ)2p2+…+(axn－aEξ)2pn+…=a2［(x1－Eξ)2p1+(x2－Eξ)2p2+…+(xn－Eξ)2pn+…］=a2Dξ.(注：该生刚开始时，写［x1－E(aξ+b)］2，［x2－E(aξ+b)］2，…，展开后发现不对，没有办法推下去，这时教师现场指导，考查的随机变量是η=aξ+b，而不是ξ，它所对应的可能值是ax1+b，ax2+b，…，axn+b，….而不是x1，x2，…，xn，…，学生进行修改，继续推导下去.然后教师走到学生中间与他们共同研究，发现问题个别指导，达到共识)［师］原来你的猜想是D(aξ+b)=aDξ+b，而证明的结果是D(aξ+b)=a2Dξ，你是相信哪一个呢？［生］(齐声说)相信证明的结果.［师］类比的思想方法在科学发现中有着十分重要的作用，这一点是不可撼动的.但我们要知道事物都是一分为二的，类比固然可以引导我们走向成功，但有的时候也会捉弄我们，把我们领向歧途，本题就是一个事实.所以，我们既要学习类比与猜想，又要学会严密的证明，这样我们思维品质更加优异，更具有辩证性.如果离散型随机变量ξ满足二项分布，即ξ~B(n，p)，那么Dξ又等于什么？同学们能否仿照Eξ的证明方法给出证明？(学生跃跃欲试，拿起笔在草稿上飞速书写或相互讨论)［生］我愿意到黑板上推导试试看.因为ξ~B(n，p)，∴Eξ=np，Dξ=E(ξ－Eξ)2=E［ξ2－2ξEξ+(Eξ)2］=Eξ2－2Eξ·Eξ+(Eξ)2=Eξ2－(Eξ)2.而Eξ2=02·0Cn·p0qn+12·1Cn·p1qn－1+22·2Cn·p2·qn－2+32·3Cnp3qn－3+…+n2nnC·pnq0.(*)∵k2=(k2－k)+k，∴k2knC=(k2－k)knC+k·knC=k(k－1)knC+n11Ckn=n(k－1)11Ckn+n11Ckn1=n(n－1)22Ckn+n11Ckn.∴(*)为Eξ2=0+［n·(1－1)·01Cn+n·01Cn］p1qn－1+［n(n－1)02Cn+n11Cn］p2qn－2+［n(n－1)22Cn+n21Cn］p3qn－3+…+［n(n－1)22Ckn+n11Ckn］pkqn－k+…+［n(n－1)22Cnn+n11Cnn］pn·q0=n(n－1)p2［02Cnp0qn－2+12Cnp1qn－3+…+22Cnnpn－2q0］+np·［01Cnp0qn－1+11Cnp1qn－2+21Cnp2qn－3+…+11Cnnpn－1q0］=n(n－1)p2(p+q)n－2+np·(p+q)n－1=n(n－1)p2+np∴Dξ=Eξ2－(Eξ)2=n(n－1)p2+np－(np)2=np－np2=np(1－p)=npq(q=1－p).即Dξ=npq.［师］这位同学已经证明的太妙了！请同学详细读读他的书写过程.你的解法和他的是否相同，如果你没有证出来，你的问题症结在何处，正确找出差异，才能更好地进步.［生］我看太繁，没有敢往下写，也不知道如何化简(*)式，我没有他的那种毅力.[来源:]［生］对于11CCknknnk我知道运用，但对于k2knC，我就不知道该如何化简了.他在黑板写的是拆项(即添项去项)，构造出11CCknknnk，然后再来运用(k－1)·11Ckn=(n－1)22Ckn.这是证明本题的核心所在.他的代数推理能力太棒了，我要向他学习.［师］这两位同学都说出真心话，他们对黑板上的同学的证明给予了充分的肯定.从这里也看出了我们在平时的学习中要有恒心，要有信心，要有坚韧不拔的毅力和坚强的意志，见到困难不能低头，只有这样才能把自己的工作和学习做的更加出色.(学生们一起鼓掌)(这种宽松和谐气氛的营造不是老师一个人去说教的，而是靠师生共同去创造的，教师的宽厚待人、谦虚求实、严而有爱、学识广博，往往是唤醒沉睡的课堂的关键，教师的精湛的教学艺术又是活跃课堂研讨气氛的调和剂，教师的作用是组织者、策划者，而学生才是真正的主人)2.课本例题［例1］(原课本例5)已知离散型随机变量ξ1和ξ2的概率分布求这两个随机变量ξ1与ξ2的期望、方差与标准差.(教师简要地把表写在黑板上，请同学来编题，设计问题)［师］按黑板上的表格中的有关数据，哪位同学提出求什么问题？［生］可以求随机变量ξ1、ξ2的方差与标准差.［师］对，那我们就一起来求解吧！［师］我们先计算出ξ1、ξ2的期望，再利用方差的定义求解.解：Eξ1=1×71+2×71+3×71+4×71+5×71+6×71+7×71=71×(1+2+3+4+5+6+7)=4.Dξ1=(1－4)2×71+(2－4)2×71+(3－4)2×71+(4－4)2×71+(5－4)2×71+(6－4)2×71+(7－4)2×71=(32+22+12+02+12+22+32)×71=2×14×71=4.∴σξ1=41D=2Eξ2=3.7×71+3.8×71+3.9×71+4×71+4.1×71+4.2×71+4.3×71=71×(3.7+3.8+3.9+4+4.1+4.2+4.3)=71×282)3.47.3(7=4.Dξ2=(3.7－4)2×71+(3.8－4)2×71+(3.9－4)2×71+(4－4)2×71+(4.1－4)2×71+(4.2－4)2×71+(4.3－4)2×71=(0.32+0.22+0.12+02+0.12+0.22+0.32)×71=1001×2×14×251100471=0.04.