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中心极限定理例题

时间:2026-03-20 15:14:10

中心极限定理是概率论中的一个重要定理,它表明在适当的条件下,大量相互独立且同分布的随机变量的平均值将趋近于正态分布。以下是一些中心极限定理的例题:

例1:食堂窗口规划问题

学校食堂每天中午需要为全校约10000名学生提供午餐。每个学生在窗口打饭的时间服从指数分布,期望为2分钟,方差为1分钟^2。为了在90分钟内让所有学生打完饭,需要确定至少需要开设多少个窗口。

分析:设需要开设k个窗口,总打饭时间为X,则X服从参数为n=10000,p=1/2的指数分布。

求解:利用棣莫弗—拉普拉斯中心极限定理,将X近似为正态分布N(20000, 10000)。通过标准化,得到Z=(X-20000)/sqrt(10000) ~ N(0,1)。求解P(9000 <= X <= 11000) ≈ P(-1.58 <= Z <= 1.58) ≈ 0.9,因此至少需要开设57个窗口。

例2:炮兵阵地射击命中数

某炮兵阵地进行100次射击,每次射击的命中数是一个随机变量,期望为2,方差为1.69。求在100次射击中有180颗到220颗炮弹命中目标的概率。

分析:设X_k表示第k次射击中的炮弹数,则X_k ~ B(1, 0.2),且X_1 + X_2 + ... + X_100 ~ N(200, 169)。

求解:标准化后得到Z = (X - 200) / 13 ≈ N(0,1),求解P(180 <= X <= 220) = P(14.6 <= Z <= 15.4) ≈ 0.8764。

例3:系统可靠性

一个复杂系统由100个相互独立的元件组成,每个元件损坏的概率为0.1。求系统正常工作的概率(至少85个元件正常工作)。

分析:设X表示正常工作的元件数,则X ~ B(100, 0.9)。

求解:利用二项分布的正态近似,X ≈ N(90.5, 9.01),系统正常工作的概率为P(X >= 85) ≈ 0.9525。

例4:噪声信号

一仪器同时受到108个噪声信号X_i,设它们是相互独立的且都服从[0,4]上的均匀分布。

分析:设Y为这些噪声信号的总和,则Y ~ U(0, 408)。

求解:标准化后得到Z = Y / sqrt(108) ~ N(0,1),利用切比雪夫不等式求解P(|Y - 204| < 60) ≈ 0.9。

例5:学生家长会家长数

一个学生无家长、1名家长、2名家长来参加会议的概率分别为0.05, 0.8, 0.15。若学校共有400名学生,设各学生参加会议的家长数相互独立,且服从同一分布。

分析:设X表示一个学生参加会议的家长数,则X ~ B(400, 0.05)。

求解:求解P(X > 450) ≈ 0.001,P(X <= 340) ≈ 0.493。

这些例题展示了中心极限定理在不同场景下的应用,通过将独立同分布的随机变量之和近似为正态分布,可以简化概率计算和求解过程。