设 $ 10\leqslant x_1<x_2<x_3<x_4\leqslant 10^4,x_5=10^5 $.随机变量 $ \xi _1 $ 取值 $ x_1,x_2,x_3,x_4,x_5 $ 的概率均为 $ 0.2 $,随机变量 $ \xi _2 $ 取值 $ {\dfrac{x_1+x_2}{2}},{\dfrac{x_2+x_3}{2}},{\dfrac{x_3+x_4}{2}},{\dfrac{x_4+x_5}{2}},{\dfrac{x_5+x_1}{2}} $ 的概率也均为 $ 0.2 $.若记 $ D\xi _1,D\xi _2 $ 分别为 $ \xi _1,\xi _2 $ 的方差,则 \((\qquad)\)
A: $ D\xi _1>D\xi _2 $
B: $ D\xi _1=D\xi _2 $
C: $ D\xi _1<D\xi _2 $
D: $ D\xi _1$ 与 $D\xi _2 $ 的大小关系与 $ x_1,x_2,x_3,x_4 $ 的取值有关
【难度】
【出处】
2012年高考上海卷(理)
【标注】
【答案】
A
【解析】
由已知条件可得\[ \begin{split}E\xi _1&=0.2\left(x_1+x_2+x_3+x_4+x_5\right),\\E\xi _2&=0.2\left( {\dfrac{x_1+x_2}{2}}+{\dfrac{x_2+x_3}{2}}+{\dfrac{x_3+x_4}{2}}+{\dfrac{x_4+x_5}{2}}+{\dfrac{x_5+x_1}{2}} \right)\\&=0.2\left(x_1+ x_2+x_3+x_4+x_5\right), \end{split} \]所以\[ E\xi _1=E\xi _2 .\]而方差可以借助图象得到答案,$ x_1,x_2,x_3,x_4,x_5 $ 和 $ {\dfrac{x_1+x_2}{2}},{\dfrac{x_2+x_3}{2}},{\dfrac{x_3+x_4}{2}},{\dfrac{x_4+x_5}{2}},{\dfrac{x_5+x_1}{2}} $ 的位置如图中所示: 从直观上来看,显然 $x_i$ 更发散,所以 $ D\xi _1>D\xi _2 $ 成立.下面给出证明:
不妨把情况扩展到更一般的情形,即随机变量 $ \xi _1 $ 取值 $x_1,x_2,\cdots,x_n $ 的概率均为 $\dfrac 1n$,随机变量 $ \xi _2 $ 取值 $ {\dfrac{x_1+x_2}{2}},{\dfrac{x_2+x_3}{2}},\cdots,{\dfrac{x_{n-1}+x_n}{2}}, {\dfrac{x_n+x_1}{2}}$ 的概率也均为 $\dfrac 1n$.显然它们的均值相等,记为 $x_0$,此时\[ \begin{split} D\xi _1-D\xi _2&=\dfrac 1n\sum \limits_{i=1}^n(x_i-x_0)^2-\dfrac 1n\sum \limits_{i=1}^n\left(\dfrac{x_i+x_{i+1}}2-x_0\right)^2\\&=\dfrac 1n\sum \limits_{i=1}^n x_i^2-\dfrac 1n\dfrac{\sum \limits_{i=1}^n(x_i^2+x_{i+1}^2+2x_ix_{i+1})}4\\&=\dfrac 1n\dfrac{\sum \limits_{i=1}^n(x_i^2+x_{i+1}^2-2x_ix_{i+1})}4\\&=\dfrac 1n\sum \limits_{i=1}^n\left(\dfrac{x_1-x_{i+1}}2\right)^2\geqslant 0.
\end{split} \]显然等号不成立,所以有 $ D\xi _1>D\xi _2 $(其中定义 $x_{n+1}=x_1$).
事实上,本题中,限定 $x_i$ 的取值范围是没有意义的,只要它们不相等,结论就不变.
题目 答案 解析 备注
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