數(shù)學(xué)思想方法在新教材概率學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

林少安

問題是數(shù)學(xué)的心臟，方法是數(shù)學(xué)的行為，思想是數(shù)學(xué)的靈魂.不管是數(shù)學(xué)概念的建立，數(shù)學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，還是數(shù)學(xué)問題的解決，乃至整個“數(shù)學(xué)大廈”的構(gòu)建，核心問題在于數(shù)學(xué)思想方法的培養(yǎng)和建立.數(shù)學(xué)思想方法是數(shù)學(xué)的精髓，是新知識拓廣的指導(dǎo)思想，是數(shù)學(xué)概念、定理、公式的認(rèn)識基礎(chǔ)，是解題策略的源泉.因此，在數(shù)學(xué)教學(xué)中，應(yīng)把數(shù)學(xué)思想方法的訓(xùn)練貫穿于教學(xué)始終.本文著重探討概率解題過程中數(shù)學(xué)思想方法的應(yīng)用.

一、函數(shù)與方程思想

函數(shù)思想，是用運(yùn)動和變化的觀點(diǎn)分析和研究數(shù)學(xué)問題中的數(shù)量關(guān)系，建立函數(shù)關(guān)系或構(gòu)造函數(shù)，利用函數(shù)的圖像和性質(zhì)分析問題和解決問題，使問題獲得解決.

方程思想是通過引入未知量，構(gòu)造方程或方程組，分析問題、轉(zhuǎn)化問題，使問題得到解決.

“已知”與“未知”是一個問題中緊緊相連的兩個方面，它們之間的關(guān)系就是方程(或不等式)關(guān)系.因此，在數(shù)學(xué)中并不是一味地要由“條件”推“結(jié)論”，而應(yīng)從整體上把握“已知”與“未知”間的關(guān)系，然后再從數(shù)與式兩個方面進(jìn)行突破，這樣，方程思想就顯得非常重要，而且也富有技巧.

在本章學(xué)習(xí)中，當(dāng)求解某些事件的概率時，從問題的數(shù)量關(guān)系入手，根據(jù)概率的定義、公式構(gòu)造方程，然后通過解方程(組)的方法使問題得以解決.

例1 甲、乙兩袋裝有大小相同的紅球和白球，甲袋裝有2個紅球，2個白球；乙袋裝有2個紅球，n個白球.從甲，乙兩袋中各任取2個球.若取到的4個球中至少有2個紅球的概率為34，求乙袋中白球的個數(shù)n.

解：記“取到的4個球至多有1個紅球”為事件B，“取到的4個球只有1個紅球”為事件B1，“取到的4個球全是白球”為事件B2.由題意，得P(B)=1-34=14；P(B1)=C12?C12C24?C2璶C2﹏+2+C22C24?C12?C1璶C2﹏+2=2n23(n+2)(n+1);P(B2)=C22C24?C2璶C2﹏+2=n(n-1)6(n+2)(n+1).所以P(B)=P(B1)+P(B2)=2n23(n+2)(n+1)+n(n-1)6(n+2)(n+1)=14,化簡，得7n2-11n-6=0，解得n=2，或n=-37(舍去)，故n=2.

二、分類與整合思想

在解某些數(shù)學(xué)問題時，我們常常會遇到這樣一種情況，解到某一步之后，發(fā)現(xiàn)問題的發(fā)展是按照不同的方向進(jìn)行的，被研究的問題包含了多種情況，就必須抓住主導(dǎo)問題發(fā)展方向的主要因素，在其變化范圍內(nèi)，根據(jù)問題的不同發(fā)展方向，劃分為若干部分分別研究.這里集中體現(xiàn)的是由大化小、由整體化為部分、由一般化為特殊的解決問題的方法，其研究方向基本是“分”，但分類解決問題之后，還必須把它們整合在一起，這種“合—分—合”的解決問題的過程，就是分類與整合的思想方法.

分類與整合思想，是數(shù)學(xué)中重要的數(shù)學(xué)思想之一.分類與整合思想的實質(zhì)是將整體問題化為部分，然后再各個擊破之.分類討論的關(guān)鍵是邏輯劃分標(biāo)準(zhǔn)恰當(dāng)準(zhǔn)確，分類討論時要做到不重不漏.

在本章學(xué)習(xí)中，求概率時，要考慮各類情況對應(yīng)的結(jié)果數(shù)，這就要進(jìn)行分類討論.

例2 若連續(xù)擲兩次骰子，第一次擲得的點(diǎn)數(shù)為m，第二次擲得的點(diǎn)數(shù)為n，求點(diǎn)P(m,n)落在圓x2+y2=16內(nèi)的概率.

解：先后擲兩次骰子，第一次骰子出現(xiàn)6種結(jié)果，對于每一種結(jié)果，第二次又有6種可能結(jié)果，于是一共有6×6=36種不同的結(jié)果.

因為點(diǎn)P(m,n)落在圓x2+y2=16內(nèi)，所以m2+n2<16，考慮到m,n∈{1，2，3，4，5，6}， 進(jìn)行分類討論.

當(dāng)m=1時，n=1,2,3共3種可能；當(dāng)m=2時，n=1,2,3共3種可能；當(dāng)m=3時，n=1,2共2種可能；當(dāng)m≥4時，不符合m2+n2<16.

故點(diǎn)P(m,n)落在圓內(nèi)有8種情況(1，1)，(1，2)，(1，3)，(2，1)，(2，2)，(2，3)，(3，1)，(3，2).故所求概率P=836=29.

三、轉(zhuǎn)化與化歸思想

轉(zhuǎn)化與化歸思想是數(shù)學(xué)問題處理中重要的思想方法之一.其目的與意義在于化繁為簡、化難為易，其作用是將問題簡單化，幫助我們抓住問題的實質(zhì)，找到解決問題的突破口，從而簡便地解決問題.

在解答某類問題時，由于該類問題所包含的情況相對來說較為繁雜，在解答時常常把相應(yīng)問題等價轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成與其等價的命題.

在本章的學(xué)習(xí)中，往往會遇到一些求“至多”“至少”等事件的概率，此時需要利用P(A)+P()=1,先求其對立事件的概率，然后利用P(A)=1-P()相應(yīng)求解；條 件概率的計算，常利用縮小樣本空間的觀點(diǎn)來等價轉(zhuǎn)化，從而P(B|A)=n(AB)n(A)，這里n(A)和n(AB)的計數(shù)是基于縮小的樣本空間；在求概率時有時要化成互斥事件的和事件，有時要化成對立事件，由實際問題轉(zhuǎn)化為概率模型等；在幾何概型中，將一維長度問題轉(zhuǎn)化為平面圖形的二維面積問題.

例3 兩個對講機(jī)持有者莉莉和霍伊都為卡爾貨運(yùn)公司工作，他們的對講機(jī)接收范圍為25公里，在下午3∶00時莉莉正在基地正東距離基地30公里以內(nèi)的某處向基地行駛.而霍伊在下午3∶00時正在基地正北距基地40公里以內(nèi)的某地向基地行駛，試問他們能夠通過對講機(jī)交談的概率有多大?

解：設(shè)x和y分別代表莉莉和霍伊距基地的距離，于是0≤x≤30,0≤y≤40，則他倆所有可能的距離的數(shù)據(jù)構(gòu)成有序數(shù)對(x,y)，這里x和y都在它們各自的限制范圍內(nèi)，且所有這樣的有序數(shù)對構(gòu)成的集合即為試驗的全部結(jié)果，每一個點(diǎn)都代表莉莉和霍伊的一個特定的位置，他們可以通過對講機(jī)交談的事件僅當(dāng)他們之間的距離不超過25公里時發(fā)生，因此構(gòu)成該事件的點(diǎn)由滿足不等式x2+y2≤25的數(shù)對組成，此不等式等價于x2+y2≤625.

如圖1，長和寬分別為40和30的矩形區(qū)域表示試驗的所有結(jié)果構(gòu)成的區(qū)域，以25為半徑的14圓的區(qū)域表示試驗成功的區(qū)域，而矩形面積為30×40=1200(平方公里)，而事件的面積為14π×252=625π4(平方公里)，故所求事件的概率為P=625π4×1200=25π192.

四、數(shù)形結(jié)合思想

數(shù)形結(jié)合思想是重要的數(shù)學(xué)思想方法之一，數(shù)形結(jié)合的解題方法的特點(diǎn)是：具有直觀性、靈活性、深刻性，并跨越各科的界線，有較強(qiáng)的綜合性.“以數(shù)輔形”和“以形助數(shù)”，從而達(dá)到數(shù)與形的和諧統(tǒng)一，“形”為問題的骨架形態(tài)，給了我們以直觀的猜測，而“數(shù)”則展示了問題的內(nèi)部規(guī)律，給了我們以量的客觀的結(jié)論，只有數(shù)形結(jié)合，才能使我們直觀、迅速、準(zhǔn)確地解決數(shù)學(xué)問題.

在本章學(xué)習(xí)中，可以利用集合的Venn圖理解事件間的關(guān)系，利用表格、樹狀圖等計算古典概型的基本事件數(shù)；利用數(shù)軸、坐標(biāo)系解決幾何概型中事件區(qū)域的長度、面積、體積；在解實際應(yīng)用題中借助圖像或表格建立相應(yīng)的函數(shù)模型等問題.

例4 在長度為10的線段內(nèi)任取兩點(diǎn)將線段分成三段，求這三段可以構(gòu)成三角形的概率.

解：設(shè)構(gòu)成三角形的事件為A，長度為10的線段被分成三段的長度分別為x、y、10-(x+y),則0

0

0<10-(x+y)<10,即

0

0

010-(x+y)，即5

0

5

五、或然與必然的思想

人們發(fā)現(xiàn)事物或現(xiàn)象可以是確定的，也可以是模糊的，或隨機(jī)的.為了了解隨機(jī)現(xiàn)象的規(guī)律性，便產(chǎn)生了概率論這個數(shù)學(xué)分支.概率是研究隨機(jī)現(xiàn)象的學(xué)科，隨機(jī)現(xiàn)象有兩個最基本的特征，一是結(jié)果的隨機(jī)性，即重復(fù)同樣的試驗，所得到的結(jié)果未必相同，以至于在試驗之前不能預(yù)料試驗的結(jié)果；二是頻率的穩(wěn)定性，即在大量重復(fù)試驗中，每個試驗結(jié)果發(fā)生的頻率“穩(wěn)定”在一個常數(shù)附近.了解一個隨機(jī)現(xiàn)象就是知道這個隨機(jī)現(xiàn)象中所有可能出現(xiàn)的結(jié)果，知道每個結(jié)果出現(xiàn)的概率.知道這兩點(diǎn)就說明對這個隨機(jī)現(xiàn)象研究清楚了.概率研究的是隨機(jī)現(xiàn)象，研究的過程是在“偶然”中尋找“必然”，然后再用“必然”的規(guī)律去解決“偶然”的問題，這其中所體現(xiàn)的數(shù)學(xué)思想就是或然與必然的思想.

例5 為了估計水庫中魚的尾數(shù)，可以使用以下的方法：先從水庫中捕出一定數(shù)量的魚，

例如2000尾，給每尾魚作上記號，不影響其存活，然后放回水庫，經(jīng)過適當(dāng)時間，讓其和水庫中其余的魚充分混合，再從水庫中捕出一定數(shù)量的魚，例如500尾，查看其中有記號的魚，設(shè)有40尾，試根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估計水庫內(nèi)魚的尾數(shù).

解：設(shè)水庫中魚的尾數(shù)為n,n是未知的，現(xiàn)在要估計n的值.假定每尾魚被捕的可能性是相等的，從庫中任捕一尾，設(shè)事件A={帶有記號的魚}，易知P(A)≈2000n①

第二次從水庫中捕出500尾，觀察其中帶有記號的魚有40尾，即事件A發(fā)生的頻數(shù)m=40，由概率的統(tǒng)計定義可知P(A)≈40500 ②.

由①②兩式，得2000n=40500，解得n=25000，所以，估計水庫中約有魚25000尾.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”