本题导读

本题考查分布列与期望。核心在于分布列法、组合数性质法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2017年江苏卷) 已知一个口袋有 个白球, 个黑球 (),这些球除颜色外全部相同.现将口袋中的球随机逐个取出,并放入编号为 的抽屉内,其中第 次取出的球放入编号为 的抽屉 ().

(1)试求编号为 2 的抽屉内放的是黑球的概率 ;

(2)随机变量 表示最后一个取出的黑球所在抽屉编号的倒数, 是 的数学期望,证明:.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(抽签模型):
  • 根据对称性,每个位置出现黑球的概率均相等。
  • 严谨计算:总放法为 。若第 2 个抽屉固定为黑球,则余下的 个黑球在剩下的 个位置随机放置,情况数为 。
  1. 第二问(期望与证明):
  • 确定 的取值:最后一个黑球所在的编号 最小为 (前 个也是黑球),最大为 。故 。
  • 求概率分布:设最后一个黑球在第 个抽屉,意味着前 个抽屉里恰有 个黑球,且第 个抽屉必须放入黑球。概率 。
  • 数学期望:。
  • 放缩证明:利用组合数性质 。再结合朱世杰恒等式 完成求和放缩。

✅【答案】

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(1)在𝑚+𝑛个抽屉中,𝑛个黑球的位置等可能地从所有位置组合中产生,所以编号为2的抽屉内放黑球的概率为𝑝=𝑛

✍【详细解析】

Abstract

(1)求概率 : 取出的 个黑球放入 个抽屉,总的放法有 。 若编号为 2 的抽屉放黑球,则余下的 个黑球在剩下的 个抽屉中随机放置,共有 种情况。 故所求概率为:

(2)证明不等式: 设最后一个取出的黑球所在的抽屉编号为 ,则 的可能取值为 。 当编号为 时,。 事件“最后一个黑球在第 个抽屉”表示前 个抽屉里有 个黑球,且第 个抽屉放入黑球。 其发生概率为: 则数学期望为: 注意到组合数恒等式变换:

由于 ,则 ,所以: 代入期望公式: 由朱世杰恒等式(上标求和公式):。 令 ,,则当 从 变到 时, 从 变到 : 故: 代入第一问结论 : 证毕。

💡 【考点总结与回顾】

  • 组合数基本功:熟练掌握 的展开式、递推式以及求和恒等式是处理此类压轴题的必备工具。
  • 期望的本质:期望是取值与对应概率乘积的累加。在处理动态取球模型时,准确描述最后一个黑球位置的概率是关键。
  • 本题(2)问具有极强的放缩技巧。通过观察目标结论中的 ,引导我们在求和过程中寻找与 相关的组合数变换。这种“以终为始”的思维是破解压轴题的常用手段。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:待补

  2. 核心方法:待补

  3. 避坑指南:待补

📖【试题探源与推广】

Tip

  • 结论推广: 在相同的模型下,若求最后一个黑球位置 的期望 ,结果为 。
  • 方法推广:
    • 镜像放缩:在处理离散型变量的不等式时,将通项放缩为容易裂项或容易应用求和公式的形式。
  • 相关知识点:

    • 超几何分布:本题概率模型与不放回抽样的超几何分布有内在逻辑联系。

🔗【关联脉络】

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