好的,我们来聊聊2019年新课标1数学概率大题中可能出现的递推公式是如何得出的。这类题目通常会将一个实际问题抽象成概率模型,然后通过分析事件之间的转移关系来构建递推公式。为了让你更好地理解,我会尽量用直白易懂的方式,并且避免AI痕迹。
想象一下,我们在解决这类问题时,不是直接“套”一个公式,而是像侦探一样,一步步推理出事件的发展规律。递推公式就是这种规律的数学表达。
核心思想:将复杂问题分解,利用已知推导未知
递推公式的本质是,要计算某个状态(比如第 n 次试验)的概率,我们不是直接去算,而是利用前一个或几个状态(比如第 n1 次试验)的概率来推导。这就像是你不知道第二天的天气,但你知道今天的和明天的天气之间有什么联系(比如下雨后第二天还下雨的概率),你就可以一步步预测。
举个例子来理解(为了便于说明,我们假设一个场景):
假设有一个游戏,玩家在一个数轴上移动。玩家从数字 0 开始,每走一步,可以向前跳 1 格或者向前跳 2 格,跳跃的规则是:
向前跳 1 格的概率是 $p$。
向前跳 2 格的概率是 $1p$。
我们想知道,玩家到达数字 $n$ 的总共有多少种不同的走法(这里我们先不考虑概率,先关注“走法”的数量,这有助于理解递推思想)。
如何构建递推公式?
1. 定义状态: 我们需要定义一个我们关心的量。在这个例子中,我们关心的是到达数字 $n$ 的走法数量。我们设 $f(n)$ 表示到达数字 $n$ 的不同走法的总数。
2. 寻找递推关系: 现在是关键一步,我们要思考:如何才能到达数字 $n$?
路径一: 最后一步是从数字 $n1$ 跳过来的。由于我们只能向前跳 1 格或 2 格,所以如果玩家在数字 $n1$ 处,只能通过向前跳 1 格到达数字 $n$。那么,到达 $n1$ 的所有走法,都可以通过最后加一步跳 1 格,变成到达 $n$ 的一种走法。所以,从 $n1$ 到达 $n$ 的走法数量就是 $f(n1)$。
路径二: 最后一步是从数字 $n2$ 跳过来的。同理,如果玩家在数字 $n2$ 处,只能通过向前跳 2 格到达数字 $n$。那么,到达 $n2$ 的所有走法,都可以通过最后加一步跳 2 格,变成到达 $n$ 的一种走法。所以,从 $n2$ 到达 $n$ 的走法数量就是 $f(n2)$。
关键点: 到达数字 $n$ 的所有走法,只能是这两种情况(最后一步要么是从 $n1$ 跳来,要么是从 $n2$ 跳来),并且这两种情况是互斥的(不能同时发生)。
得出递推公式: 因此,到达数字 $n$ 的总走法数 $f(n)$ 就是这两种情况走法数的总和。
$$f(n) = f(n1) + f(n2)$$
3. 确定初始条件: 递推公式是基于前几项来计算的,所以我们需要知道最开始的几个值,才能“启动”这个公式。
到达数字 0: 玩家一开始就在 0 的位置,算作一种走法。所以,$f(0) = 1$。
到达数字 1: 玩家只能从 0 跳 1 格到达。所以,$f(1) = 1$。
到达数字 2: 玩家可以:
从 0 跳 1,再跳 1。
从 0 跳 2。
所以,$f(2) = 2$。
(这里也可以用我们推导的公式来验证一下:$f(2) = f(1) + f(0) = 1 + 1 = 2$,吻合!)
有了递推公式 $f(n) = f(n1) + f(n2)$ 和初始条件 $f(0)=1, f(1)=1$,我们就可以计算出任意一个 $n$ 的走法数量了。这个数列就是著名的斐波那契数列(稍微有点差异,因为斐波那契数列通常从 $f(1)=1, f(2)=1$ 开始,或者 $f(0)=0, f(1)=1$)。
将这个思路应用到2019新课标1的概率大题中:
2019年概率大题中的递推公式通常会涉及到事件的发生或不发生,状态的转移。以下是一些常见的推导思路:
定义所求概率为 $P(A_n)$ 或 $a_n$: 设 $a_n$ 表示在第 $n$ 次试验(或某个时间点)时,所关心的事件发生的概率。
分析 $a_n$ 与 $a_{n1}$ 的关系:
考虑“上一状态如何转移到当前状态”: 要想在第 $n$ 次试验时满足条件,那么在第 $n1$ 次试验时,可能处于什么状态,然后通过一次试验转移过来?
情况一: 第 $n1$ 次试验时已经满足条件,并且这次试验后“保持”满足条件。
情况二: 第 $n1$ 次试验时“不满足”条件,但这次试验后“转移”到了满足条件的那个状态。
举例说明(可能更贴近高考概率题的场景):
假设一个射击游戏,某运动员每次射击命中目标的概率是 $p$,未命中目标的概率是 $1p$。如果他连续两次命中目标,则停止射击。问:从第 1 次射击开始,到停止射击为止,他一共射击了 $n$ 次的概率是多少?
这个问题有点复杂,我们可以换一个更基础的思路来引出递推。
假设一个场景:
在一个盒子里,有一个红球和一个蓝球。每次从中抽取一个球,记录颜色后放回,然后搅拌。
我们想知道:连续抽取 $n$ 次,恰好有 $k$ 次抽到红球的概率。
但这类的直接求 $P(k ext{次 } R ext{在 } n ext{次 })$ 通常是用二项分布,不一定需要递推。
我们换个更适合递推的例子:
假设一个机器,正常工作一个周期后,下一周期正常工作的概率是 $a$,发生故障的概率是 $1a$。如果发生故障,它会被修复,下个周期又恢复正常工作的概率是 $b$,再次发生故障的概率是 $1b$。
设 $p_n$ 表示第 $n$ 个周期时机器正常工作的概率。
分析 $p_n$ 的来源: 要使机器在第 $n$ 个周期正常工作,它在第 $n1$ 个周期时可能处于两种状态:
1. 第 $n1$ 周期正常工作: 在第 $n1$ 周期正常工作的概率是 $p_{n1}$。在这种情况下,它继续正常工作的概率是 $a$。所以,这种情况对 $p_n$ 的贡献是 $p_{n1} cdot a$。
2. 第 $n1$ 周期发生故障: 在第 $n1$ 周期发生故障的概率是 $1 p_{n1}$。发生故障后,经过修复,下个周期正常工作的概率是 $b$。所以,这种情况对 $p_n$ 的贡献是 $(1 p_{n1}) cdot b$。
得出递推公式: 将这两种情况的概率加起来,就是第 $n$ 个周期正常工作的总概率:
$$p_n = p_{n1} cdot a + (1 p_{n1}) cdot b$$
$$p_n = ap_{n1} + b bp_{n1}$$
$$p_n = (ab)p_{n1} + b$$
确定初始条件: 我们需要知道第一个周期的状态。假设开始时机器是正常工作的,那么 $p_1 = 1$。
总结一下递推公式的来源套路:
1. 明确目标: 你要求的是第 $n$ 个阶段(或第 $n$ 次试验)的什么概率?通常用 $a_n$ 或 $p_n$ 来表示。
2. 寻找“前驱”: 要达到第 $n$ 个状态,从哪个(或哪些)第 $n1$ 个状态转移而来?这是核心的分析过程。
比如,在第 $n$ 次事件中,某事件发生。那么在第 $n1$ 次时,这个事件可能发生了,也可能没发生。
根据题目描述的“转移规则”(比如“如果这次失败了,下次成功的概率是……”),分析从第 $n1$ 种情况,如何“变到”第 $n$ 种情况。
3. 列出所有可能路径: 将所有能够从第 $n1$ 个状态转移到第 $n$ 个状态的可能性列出来,并计算它们的概率。记住,概率累加要考虑“与”和“或”的关系:
如果情况A 并且 情况B会导向目标,概率相乘。
如果情况A 或者 情况B会导向目标,概率相加。
4. 建立方程: 将这些概率累加起来,就得到了 $a_n$ 关于 $a_{n1}$(甚至 $a_{n2}$ 等)的方程,这就是递推公式。
5. 设定初始值: 确定 $a_1$ 或 $a_0$ 等最开始的几个值,以便能够迭代计算。
关键是要仔细阅读题目描述,将文字描述转化为事件之间的逻辑关系和概率关系。不要怕麻烦,一步步拆解,把大问题化成小问题,然后用已知的小问题来解决大问题。
很多时候,递推公式的出现是因为问题具有“马尔可夫性”——当前的状态只与前一个状态有关,与更早的状态无关。而概率问题常常会涉及这样的链式反应。
希望这样的解释能够帮助你理解递推公式是如何从题目本身“生长”出来的!