本题导读
本题考查离散型随机变量的分布列。核心在于概率建模法、对立事件法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2004年重庆卷(理)) 设一汽车在前进途中要经过 4 个路口,汽车在每个路口遇到绿灯的概率为 ,遇到红灯(禁止通行)的概率为 .假定汽车只有在遇到红灯或到达目的地才停止前进, 表示停车时已经通过的路口数,求:
(1) 的概率的分步列及期望 ;
(2)停车时最多已通过 3 个路口的概率.
🔍【思路分析】
破题导航
- 界定随机变量 的可能取值:
- 在第 1 个路口遇到红灯停止,通过 0 个路口,即 .
- 在第 1 个路口遇到绿灯、第 2 个路口遇到红灯停止,通过 1 个路口,即 .
- 在前 2 个路口遇到绿灯、第 3 个路口遇到红灯停止,通过 2 个路口,即 .
- 在前 3 个路口遇到绿灯、第 4 个路口遇到红灯停止,通过 3 个路口,即 .
- 在前 4 个路口均遇到绿灯顺利通过,到达目的地停止,通过 4 个路口,即 .
- 利用独立乘法通式控算概率:由于各路口信号灯互不影响,属于相互独立事件。前 次通过(绿灯)且第 次停止(红灯)的概率为 .需要特别注意的是 的情况,此时汽车不需要在第 5 个路口遇到红灯,只要前 4 个路口全为绿灯即可。
- 期望求解与对立事件转化:
- 第一问期望直接套用公式 进行代数级数求和。
- 第二问“最多已通过 3 个路口”对应的事件是 ,其对立事件为 ,利用 可实现快速控算。
✅【答案】
Success
(1)
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1)求 的概率的分布列及期望 随机变量 的所有可能取值为 .
结合相互独立事件的概率乘法公式,分别计算 取各值时的概率:
- 当 时,表示汽车在第 1 个路口即遇到红灯而停车:
- 当 时,表示汽车通过了第 1 个路口(绿灯),在第 2 个路口遇到红灯而停车:
- 当 时,表示汽车通过了前 2 个路口(均为绿灯),在第 3 个路口遇到红灯而停车:
- 当 时,表示汽车通过了前 3 个路口(均为绿灯),在第 4 个路口遇到红灯而停车:
- 当 时,表示汽车通过了全部 4 个路口(均为绿灯),顺利到达目的地而停车:
(自我核验: ,概率空间完整).
故 的概率分布列为:
0 1 2 3 4 根据离散型随机变量数学期望的定义公式 : 统一分母为 256 进行代数累加:
(2)求停车时最多已通过 3 个路口的概率 “最多已通过 3 个路口”对应的数学叙述为 . 该事件的对立事件为“通过 4 个路口”,即 . 根据对立事件概率性质: 代入(1)中求得的概率值:
答:停车时最多已通过 3 个路口的概率为 .
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:多阶段独立重复试验的概率截断建模;离散分布列中各项概率加和恒为 1 的度量校验;数学期望乘积和公式的应用;至多型有界概率向对立事件的等价转化。
- 核心方法:独立事件乘法原理、对立事件简化法。
- 避坑指南:
- 错把 的概率多乘一个红灯分量:这是最经典的笔误。很多学生习惯了前面的递推节奏,把 错写成 .务必牢记汽车一共只需要面对 4 个路口,一旦第 4 个路口也是绿灯,汽车已经安全抵达目的地,前方不再有第 5 个路口阻截。
- 第二问采用直接加和导致计算量过大出错:第二问若直接用 进行通分,由于涉及四个大分式,极易产生算术笔误。看到“最多”、“至少”等字眼,必须优先建立对立事件条件反射。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题是考查初等概率与随机过程(几何分布在有限维空间的截断形态)的标准大纲经典解答题,属于中等难度常规题。
- 结论推广:本题模型属于通用的离散马尔可夫链吸收态终止模型(Discrete-time Markov chain with an absorbing state).一般地,对于包含 个阶梯阶段的独立测试,每次成功的概率为 ,失败的概率为 ,一旦失败即立刻强制终止。其终止时已通过的阶段数 的数学期望,在空间上构成了有界几何级数。其通用代数解析通式恒满足: .
🔗【关联脉络】
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