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CIE 9231 2026 June Paper 42 Q6

A Level / CIE / FS

CIE 9231 2026 June Paper 42 Paper · Question 6

题目

Problem

The discrete random variable XX has probability generating function GX(t)\mathrm{G}_X(t) defined by

GX(t)=kt(at+1)2.\mathrm{G}_X(t)=\frac{k}{t}(at+1)^2.

It is given that E(X)=13\mathrm{E}(X)=\frac{1}{3}.

(a) Show that a=2a=2 and find the value of kk.

(5)

(b) Find Var⁡(X)\operatorname{Var}(X).

(2)

(c) Three independent observations of XX are taken. The random variable YY is the sum of these observations.

Find P(Y=0)\mathrm{P}(Y=0).

(3)
题目中文翻译

离散随机变量 XX 的概率生成函数 GX(t)\mathrm{G}_X(t) 定义为

GX(t)=kt(at+1)2.\mathrm{G}_X(t)=\frac{k}{t}(at+1)^2.

已知 E(X)=13\mathrm{E}(X)=\frac{1}{3}。

(a) 证明 a=2a=2,并求 kk 的值。

(5)

(b) 求 Var⁡(X)\operatorname{Var}(X)。

(2)

(c) 对 XX 进行三次相互独立的观测。随机变量 YY 是这三次观测值的和。

(3)

求 P(Y=0)\mathrm{P}(Y=0)。

原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

展开成含 t−1t^{-1}、常数和 tt 的式子。用概率和与均值建立两个方程。

答题过程

展开

We have GX(t)=k(t−1+2a+a2t)G_X(t)=k(t^{-1}+2a+a^2t). Normalisation gives k(a+1)2=1k(a+1)^2=1. The coefficients at t−1t^{-1} and tt correspond to X=−1X=-1 and X=1X=1, so

E⁡[X]=k(a2−1)=13.\operatorname E[X]=k(a^2-1)=\frac13.

Since a+1≠0a+1\ne0, dividing by k(a+1)2=1k(a+1)^2=1 gives (a−1)/(a+1)=1/3(a-1)/(a+1)=1/3. Thus 3a−3=a+13a-3=a+1, giving a=2a=2 and k=1/9k=1/9.

解法二

思路

展开

先把母函数展开后求导,再用 GX(1)=1G_X(1)=1 与 GX′(1)=E(X)G_X'(1)=E(X) 联立消元。

答题过程

展开

Expanding and differentiating,

GX(t)= k(t−1+2a+a2t),GX′(t)= k(−t−2+a2).\begin{align*} G_X(t)=&\,k(t^{-1}+2a+a^2t),\\ G_X'(t)=&\,k(-t^{-2}+a^2). \end{align*}

Hence

k(a+1)2=1,k(a2−1)=13.k(a+1)^2=1,\qquad k(a^2-1)=\frac13.

The first equation implies a≠−1a\ne-1. Dividing gives

a−1a+1=13.\frac{a-1}{a+1}=\frac13.

Thus 3a−3=a+13a-3=a+1, so a=2a=2. Substitution into k(a+1)2=1k(a+1)^2=1 gives k=1/9k=1/9.

(b)

解法一

思路

展开

直接用三个取值及其概率求二阶矩,再减去均值平方。

答题过程

展开

The probabilities at −1,0,1-1,0,1 are respectively 1/9,4/9,4/91/9,4/9,4/9. Thus E⁡[X2]=1/9+4/9=5/9\operatorname E[X^2]=1/9+4/9=5/9, and

Var⁡(X)=59−(13)2=49.\operatorname{Var}(X)=\frac59-\Big(\frac13\Big)^2=\frac49.

解法二

思路

展开

也可以对含负幂的生成函数求两阶导数。导数在 11 处仍给出相应的阶乘矩。

答题过程

展开

From GX(t)=(t−1+4+4t)/9G_X(t)=(t^{-1}+4+4t)/9,

GX′(t)=−t−2+49,GX′′(t)=2t−39.G_X'(t)=\frac{-t^{-2}+4}{9},\qquad G_X''(t)=\frac{2t^{-3}}9.

Thus GX′(1)=1/3G_X'(1)=1/3 and GX′′(1)=2/9G_X''(1)=2/9. Using Var⁡(X)=GX′′(1)+GX′(1)−(GX′(1))2\operatorname{Var}(X)=G_X''(1)+G_X'(1)-\big(G_X'(1)\big)^2,

Var⁡(X)=29+13−(13)2=49.\operatorname{Var}(X)=\frac29+\frac13-\Big(\frac13\Big)^2=\frac49.

(c)

解法一

思路

展开

三个独立观察使生成函数取三次幂。外因子是 t−3t^{-3},所以常数概率来自括号内的三次项。

答题过程

展开

We have

GY(t)=GX(t)3=t−3(2t+1)6729.G_Y(t)=G_X(t)^3=\frac{t^{-3}(2t+1)^6}{729}.

The coefficient of t0t^0 is (63)23/729=160/729\binom63 2^3/729=160/729. Hence Pr⁡(Y=0)=160/729\Pr(Y=0)=160/729.

解法二

思路

展开

也可直接枚举总和为零的取值组合。除了三个零,还可以各取一个 −1-1、00、11。

答题过程

展开

Three zeros have probability (4/9)3(4/9)^3. The three distinct values −1,0,1-1,0,1 can occur in 66 orders, each with probability (1/9)(4/9)(4/9)(1/9)(4/9)(4/9). Therefore

Pr⁡(Y=0)=(49)3+6194949=160729.\Pr(Y=0)=\Big(\frac49\Big)^3+6\frac19\frac49\frac49=\frac{160}{729}.