⭐⭐⭐ 重点复习

第 6 章:大数定律与中心极限定理

大数定律不是说每次结果会接近期望,也不是说有限样本一定精确等于期望;它说的是当试验次数增大时,样本均值以高概率接近总体均值。

概率论与数理统计·概念 / 计算 / 证明与综合应用

1. 本章复习目标

学习目标

掌握定义、公式与定理条件;能使用原讲义中的真值表、矩阵、图表、分布和统计推断题完成练习。

2. 知识框架

概念与性质

先厘清定义、条件和性质的联系。

公式与应用

再用题型模板、例题和练习完成方法迁移。

3. 核心知识点

原讲义内容

\[\text{Bernoulli 大数定律:若 }S_n\sim B(n,p),\quad \frac{S_n}{n}\xrightarrow{P}p.\]
\[\text{Chebyshev 大数定律:若 }X_i\text{ 独立同分布,}E(X_i)=\mu,\;D(X_i)=\sigma^2<\infty,\quad\bar X_n\xrightarrow{P}\mu.\]

Bernoulli 定律把“成功频率趋近成功概率”形式化;Chebyshev 形式适用于更一般的独立同分布变量。若课程涉及 Khintchine 定律,可记为:独立同分布且 \(E|X_1|<\infty\) 时,\(\bar X_n\xrightarrow{P}E(X_1)\)。

\[\text{Chebyshev 不等式:}\quad P(|X-E(X)|\ge\varepsilon)\le\frac{D(X)}{\varepsilon^2}.\]
\[\text{因此 }\quad P(|\bar X_n-\mu|\ge\varepsilon)\le\frac{\sigma^2}{n\varepsilon^2}.\]
例题 1:独立重复试验成功概率为 0.4,进行大量试验后成功频率应接近什么?

思路:成功次数 \(S_n\) 服从二项分布,频率为 \(S_n/n\)。

答案:由 Bernoulli 大数定律,\(\boxed{S_n/n\xrightarrow{P}0.4}\)。这不是“每一次成功概率变为 0.4”,而是长期频率稳定在 0.4 附近。

练习 1:独立同分布变量的方差为 9。用 Chebyshev 不等式给出 \(n=100\) 时 \(P(|\bar X-\mu|<0.6)\) 的下界。

思路:先对补事件估计:\(P(|\bar X-\mu|\ge0.6)\le\frac{9}{100\cdot0.6^2}\)。

过程:右侧为 \(9/36=1/4\),故目标概率至少为 \(1-1/4\)。

答案:\(\boxed{P(|\bar X-\mu|<0.6)\ge3/4}\)。

易错点:Chebyshev 给出的是保守界,不是实际概率的精确值。
\[\text{若 }X_1,\ldots,X_n\text{ 独立同分布,}E(X_i)=\mu,\;D(X_i)=\sigma^2>0,\quad\frac{\sum_{i=1}^nX_i-n\mu}{\sigma\sqrt n}\xrightarrow{d}N(0,1).\]
\[\text{等价近似:}\quad \sum_{i=1}^nX_i\approx N(n\mu,n\sigma^2),\qquad\bar X_n\approx N\left(\mu,\frac{\sigma^2}{n}\right).\]

符号 \(\xrightarrow d\) 表示分布收敛。中心极限定理不把原变量变成正态,而是说明大量独立同分布变量之和或均值,经正确中心化和标准化后近似正态。实际题目应检查独立、同分布、方差有限,并注意样本量是否足够大。

例题 2:某产品重量独立同分布,均值 50 g、标准差 4 g。抽取 64 件,求样本均值落在 \(49\) 到 \(51\) g 的近似概率。

思路:\(\bar X\approx N(50,4^2/64)\),标准误为 \(4/8=0.5\)。

过程:\(P(49<\bar X<51)=P(-2

答案:\(\boxed{2\Phi(2)-1\approx0.9545}\)。

\[X\sim B(n,p),\quad q=1-p,\quad \frac{X-np}{\sqrt{npq}}\xrightarrow{d}N(0,1).\]

当 \(n\) 较大且 \(np,nq\) 都不太小时,可用正态分布近似二项分布。求整数区间概率时使用连续性修正:\[\boxed{P(a\le X\le b)\approx\Phi\left(\frac{b+0.5-np}{\sqrt{npq}}\right)-\Phi\left(\frac{a-0.5-np}{\sqrt{npq}}\right).}\]

练习 2:\(X\sim B(100,0.5)\),用正态近似计算 \(P(45\le X\le55)\)。

思路:\(\mu=np=50,\sigma=\sqrt{npq}=5\),整数端点做连续性修正。

过程:\(P(44.5

答案:\(\boxed{2\Phi(1.1)-1\approx0.7286}\)。

易错点:不做连续性修正时近似通常较差;\(\sqrt{npq}\) 才是标准差。

4. 常见题型

方法选择

原讲义中的判断方法、真值表、矩阵、图示、分布或统计计算流程均已完整保留在“核心知识点”区。

5. 典型例题

例题使用方式

先独立作答,再核对原讲义中的关键推导、公式条件与答案。

6. 练习题

练习与解析

原有折叠练习、完整解析与易错提示均保留在“核心知识点”区。

7. 易错点

8. 公式速查

复习顺序使用要求检查项
定义与定理确认适用条件对象、范围、已知条件
公式与计算代入前保持符号一致量词、集合符号、矩阵维数或概率参数
结论说明结论范围结果、逻辑方向与单位

9. 本章总结

必须记忆

核心定义、公式和定理条件。

必须理解

概念间的区别与方法选择依据。

必须会做

原讲义中的例题、练习与综合题型。

容易丢分

忽略前提、符号不严谨、混淆相近概念或跳过关键步骤。