高中数学趣味概率与古典概型的探究

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  著名数学家拉普拉斯说过:“对于生活中的大部分,最重要的问题实际上只是概率问题.你可以说我们所掌握的所有知识只有一小部分我们能确定地了解.甚至数学科学本身,归纳法、类推法和发现真理的首要手段都是建立在概率论的基础之上.因此,整个人类知识系统是与这一理论相联系的……”
  一、生活中的典型趣味概率问题例析
  概率论渗透到生活中的很多方面.日常生活中为什么常常有人随便买几注彩票就能中奖,有人处心积虑研究却始终不能中奖?生男孩和生女孩的概率是一样的吗?玩扑克牌时怎样决定胜负?同班同学在同一天过生日的可能性有多大?
  1.生日问题
  例1 一个教室里有50人,求下列事件的概率.(1)A={没有两个人的生日相同};(2)B={他们的生日是同一天}.(一年以365天计)
  解析:此生日问题实际上是我们常见的放球问题.
  由排列组合的知识得:p(A)=A5036536550≈0.03;p(B)=C136536550.
  2.连胜两局
  例2 一位学者夫妻和他们十八岁的儿子都喜欢下象棋.有一天,儿子向父亲要钱,准备外出和同学欢度周末.学者犹豫了一会说:“今天已经是星期三了,你要和爸爸妈妈轮流下三天棋,每天下一局,如果你能连续赢上两局的话,我就给你钱.”儿子知道父亲的棋艺比母亲精,那他应该选“父-母-父”还是“母-父-母”的对局顺序呢?
  若P1是你可以赢A的概率,P2是你可以赢B的概率,那么,输给A的概率是1-P1,输给B的概率是1-P2.
  如果选A-B-A的对局顺序,那么连胜两局的可能性是:
  p1×p2×p1+p1×p2×(1-p1)+(1-p1)×p2×p1=p1p2(2-p1)
  如果选B-A-B的对局顺序,那么连胜两局的可能性是:p1p2(2-p2)
  若A代表父亲,B代表母亲,因为P2>P1,所以前者的结果要大于后者.因此,儿子为了获得较大的胜算,应该选择父-母-父的对局顺序.
  本问题是存在争议的.因为,上述分析并未谈到“和棋”的情况.而事实上,在下棋时“和棋”是屡见不鲜的,这种概率是不容忽略的.
  二、高中数学中值得注意的古典概型
  概率统计是高中数学的重要知识点之一,但传统的数学教育属于知识传授型,比较注重课程各自的系统性、独立性和方法的应用,不注意学生对数学方法产生的背景和思想的理解,不善于利用所学到的数学知识、数学方法分析解决实际问题.希望我们能从上述生活中的概率问题中得到启示,灵活解决高中数学的概率问题.下面谈谈高中古典概型中值得注意的一些问题.
  1.区分“有序”和“无序”
  例3 同时掷两个骰子,计算向上的点数之和是5的概率是多少.
  分析:正确的解法是将两枚骰子看成是有先后顺序的,即将它们标上记号1,2以便区分,所求概率的结果是436=19.
  如果不标上记号,类似于(1,2)和(2,1)的结果将没有区别,这样所有的结果总数是21个,点数和是5的结果有2个,所求概率为221.
  为什么两个答案是不同的呢?这就需要考查两种解法是否满足古典概型的要求.可以发现,第一种解法中给出的基本事件是等可能发生的,但第二种解法中构造的21个基本事件不是等可能发生的,所以计算出的概率是错误的.
  2.典型的排列问题
  排列问题在日常生活中很常见,比如“几个同学排队的方法”,“由几个数构成无重复数字的三位数,四位数等的个数”,都是典型的排列问题.解决排列问题时要做到“既不重复也不遗漏”,培养有序、全面思考问题的习惯.
  例4 一条长椅上有7个座位,4人坐,要求3个空位中,有2个空位相邻,另一个空位与2个相邻空位不相邻,共有几种坐法?
  分析:对于空位,我们可以当成特殊元素对待,设座位依次编号为1、2、3、4、5、6、7.先选定两个空位,可以在1、2号位,也可以在2、3号位等,再安排另一空位,此时需看到,如果空位在1、2号,则另一空位可以在4、5、6、7号位,有4种可能,相邻空位在6、7号位,亦如此.如果相邻空位在2、3号位,另一空位可以在5、6、7号位,只有3种可能,相邻空位在3、4号,4、5号,5、6号亦如此,所以必须就两相邻空位的位置进行分类.本题的另一考虑是,用插空法处理它们的不相邻,此法最简单.
  3.典型的组合问题
  例5 从n对号码不同的鞋子中随机取2r(2r<n)只,求下列事件的概率.
  A={没有2只成对};B={恰好2只成对};C={至少2只成对}.
  解析:要使取出的2r只鞋中没有2只成对,可从n双中取2r双,然后再从这2r双中各取1只.故A的概率为p(A)=C2rn22rC2r2n.要使2r只鞋中恰有2只成对,可先从n双中任取1双,然后从n-1双中任取2r-2双,再从这2r-2双中各取1只,故B的概率为p(B)=nC2r-2n-122r-2C2r2n;而C与A显然是对立事件.
  这就是典型的组合问题,另外,“手套配对”,“袜子配对”也是类似问题.
  作为一门学科,概率学相当深奥,但在生活中的运用却十分广泛.在平时的生活中,教师要引导学生多了解社会信息,学会理论联系实际,懂得学以致用.在教学中重视概率统计在生产、生活及科学中的应用,引导学生动手操作,培养学生的学习兴趣,提高教学效果.总之,在学习和生活中要有一颗善于发现和探索的心,就会找到更多的学习乐趣,发现生活中更多的美.
  作者单位:广东省四会中学高中部
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