离散型随机变量的数学期望
数学期望 E(X)=∑xipi 是随机变量取值以概率为权重的加权平均,反映长期重复试验下的平均结果;具有线性性质 E(aX+b)=aE(X)+b。
适用前提与边界条件
- 已知随机变量的完整分布列,且 pi≥0、∑pi=1
- 期望是理论上的「长期平均值」,不要求等于 X 的某个实际取值
- 期望存在的前提是级数 ∑xipi 有意义;中学常见有限分布列自动满足
定义
设离散型随机变量 X 的分布列为 P(X=xi)=pi(i=1,2,…,n),则其数学期望(均值)为
E(X)=x1p1+x2p2+⋯+xnpn=∑i=1nxipi
性质:
E(aX+b)=aE(X)+b,E(X+Y)=E(X)+E(Y)
若 X∼B(n,p)(二项分布),则 E(X)=np。
推导
加权平均解释:把试验独立重复 N 次,取值 xi 大约出现 Npi 次,全部结果的平均值约为
N∑xi(Npi)=∑xipi=E(X)
这正是大数定律下样本均值趋近的量。
线性性质推导:由定义,
E(aX+b)=∑(axi+b)pi=a∑xipi+b∑pi=aE(X)+b
其中用到了 ∑pi=1。
重要不等式:由方差非负 D(X)=E(X2)−(EX)2≥0,得
E(X2)≥(EX)2
即平方的期望不小于期望的平方——它是柯西不等式在概率中的形态,可反向用于代数最值问题。
典例精析
例 1:某游戏得分 X 的分布列为 P(X=0)=0.2,P(X=5)=0.5,P(X=10)=0.3,求期望。
E(X)=0×0.2+5×0.5+10×0.3=5.5 分
例 2(构造期望证不等式):已知 u2+v2=7,求证 u+7v≤22。构造随机变量 X 以概率 87、81 分别取 u78、v8,则
E(X2)=87⋅78u2+81⋅8v2=u2+v2=7
EX=87u78+81v8=87(u+7v),(EX)2=87(u+7v)2
由 E(X2)≥(EX)2 得 (u+7v)2≤8,即 u+7v≤22;等号当 X 的两个取值相等(方差为零)时取得。
对比
| 数字特征 | 定义式 | 含义 | 线性运算 |
|---|
| 期望 E(X) | ∑xipi | 长期平均水平 | E(aX+b)=aE(X)+b |
| 方差 D(X) | ∑(xi−EX)2pi | 波动、风险 | D(aX+b)=a2D(X) |
| 样本平均数 | N1∑xk | 有限次观测的均值 | N 增大时趋近期望 |
正例与反例
✅ 正例
- 均匀骰子点数期望 E(X)=61+2+⋯+6=3.5,虽然没有一面是 3.5
- 彩票收益分布 10 元(概率 0.1)、0 元(概率 0.9),期望收益 E(X)=10×0.1=1 元
❌ 反例
- 甲游戏收益 100 或 −100 各半,乙游戏稳得 1 元,认为甲期望高就选甲:两者期望都是 0 与 1,决策还须比较方差(风险)
高频误解与考试易错
- !把期望当成「最可能取到的值」(那是众数),期望可以是 X 取不到的值(骰子期望为 3.5)
- !把各取值直接平均,忘记乘概率权重
- !E(X2) 与 (EX)2 混用:前者先平方再平均,后者先平均再平方,差为方差
- !计算 E(aX+b) 时常数项忘记加或多乘 b
常见问题
期望 3.5 点骰子上没有,为什么还有意义?
期望描述的是大量重复投掷后点数的平均值趋近的水平,不是单次结果。掷
10000 次的总点数约为
35000。
期望和加权平均数是什么关系?
期望就是概率加权的平均数:每个取值乘它的「长期出现频率」
pi 再求和。频率稳定到概率时,样本平均趋近期望。
期望和方差怎么配合做决策?
期望看平均收益,方差看波动风险。期望相同时选方差小的(稳);方差相近时选期望大的(赚)。两者构成「收益—风险」框架。
依据与出处
- 人教 A 版(2019 审定)选择性必修第三册 第七章《随机变量及其分布》§7.3 离散型随机变量的数字特征