本题导读

本题考查相互独立事件的概率。核心在于状态转移矩阵思想、待定系数法 (构造数列)的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2020年江苏卷)甲口袋中装有 2 个黑球和 1 个白球,乙口袋中装有 3 个白球。现从甲、乙两口袋中各任取一个球交换放入另一口袋,重复 次这样的操作。记甲口袋中黑球个数为 ,恰有 2 个黑球的概率为 ,恰有 1 个黑球的概率为 。

(1)求 和 ;

(2)求 与 的递推关系式,并求 的数学期望 (用 表示)。

🔍【思路分析】

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1. 状态分析:

甲口袋中黑球数量 可能的取值为 。

2. 建立状态转移方程:

要计算 ,需考虑第 次操作后的状态。

  • 若 ,则甲有 (2黑1白),乙有 (0黑3白)。只有甲摸出白球(1/3)、乙摸出白球(3/3)交换后,黑球数保持 2。
  • 若 ,则甲有 (1黑2白),乙有 (1黑2白)。只有甲摸出白球(2/3)、乙摸出黑球(1/3)交换后,黑球数变为 2。

3. 期望的特殊性:

注意到 。

这意味着求出递推关系式并解出通项,直接就是期望。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

(1)解:

  1. 第一次操作:

甲初始 (2黑1白),乙初始 (3白)。

  • :甲取白(1/3),乙取白(3/3),交换后甲仍为 2 黑。 。
  • :甲取黑(2/3),乙取白(3/3),交换后甲变为 1 黑。 。
  1. 第二次操作:
  • 。
  • 。
其中 $P(1 \to 1) = \frac{1 \times 1 + 2 \times 2}{3 \times 3} = \frac{5}{9}$(甲乙同取黑或同取白)。
$q_2 = \frac{1}{3} \cdot \frac{2}{3} + \frac{2}{3} \cdot \frac{5}{9} = \frac{2}{9} + \frac{10}{27} = \frac{16}{27}$。

(2)解:

  1. 建立递推式:

—— ①

化简 : —— ②

  1. 计算 :

将 ①② 代入:

。

  1. 求解通项:

设 ,解得 。

则 是首项为 ,公比为 的等比数列。

。

故 。

  1. 数学期望:

。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 期望的代数转化: 很多学生会试图分别求出 和 的通项,但本题巧妙在于 的表达式正好对应了递推式中的组合结构,大大减少了计算量。
  • 状态不遗漏: 在写 的递推时,必须考虑 转移到 的情况,这是保证解析式正确的关键。
  • 分步计数: 每次交换涉及甲乙各取一球,分母恒为 。

📖【试题探源与推广】

Tip

观察 ,当 时,期望趋近于 1。

这意味着在经过无数次交换后,甲口袋中黑球数量的平均值会稳定在 1 个。这是因为甲乙共有 6 个球,其中 2 个黑球分布在 2 个口袋中,按比例分配甲口袋(3个球)理应分得 1 个。

本题可以用矩阵描述:

这种线性代数的方法是处理此类“马尔可夫链”问题的通用工具,能更清晰地展现状态演变的规律。

🔗【关联脉络】

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