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CalcGospel 國際數學圖譜
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S1 2021 Jan Q4

A Level / Edexcel / S1

IAL 2021 Jan Paper · Question 4

题目

Problem

A spinner can land on the numbers 10, 12, 14 and 16 only and the probability of the spinner landing on each number is the same. The random variable XX represents the number that the spinner lands on when it is spun once.

(a) State the name of the probability distribution of XX.

(1)

(b) (i) Write down the value of E(X)E(X)

(1)

(ii) Find Var⁡(X)\operatorname{Var}(X)

(2)

A second spinner can land on the numbers 1, 2, 3, 4 and 5 only. The random variable YY represents the number that this spinner lands on when it is spun once. The probability distribution of YY is given in the table below

yy12345
P(Y=y)P(Y=y)430\frac4{30}930\frac9{30}630\frac6{30}530\frac5{30}630\frac6{30}

(c) Find

(i) E(Y)E(Y)

(2)

(ii) Var⁡(Y)\operatorname{Var}(Y)

(3)

The random variable W=aX+bW=aX+b, where aa and bb are constants and a>0a>0

Given that E(W)=E(Y)E(W)=E(Y) and Var⁡(W)=Var⁡(Y)\operatorname{Var}(W)=\operatorname{Var}(Y)

(d) find the value of aa and the value of bb.

(5)

Each of the two spinners is spun once.

(e) Find P(W=Y)P(W=Y)

(2)
题目中文翻译

第一个转盘只可能停在 10、12、14 和 16,且停在每个数字上的概率相同。随机变量 XX 表示转动一次该转盘所得的数字。

(a) 写出 XX 所服从的概率分布名称。

(b) (i) 写出 E(X)E(X) 的值。

(ii) 求 Var⁡(X)\operatorname{Var}(X)。

第二个转盘只可能停在 1、2、3、4 和 5。随机变量 YY 表示转动一次该转盘所得的数字,其概率分布如题中表格所示。

(c) 求:

(i) E(Y)E(Y);

(ii) Var⁡(Y)\operatorname{Var}(Y)。

随机变量 W=aX+bW=aX+b,其中 aa、bb 为常数且 a>0a>0。已知 E(W)=E(Y)E(W)=E(Y) 且 Var⁡(W)=Var⁡(Y)\operatorname{Var}(W)=\operatorname{Var}(Y)。

(d) 求 aa 与 bb 的值。

两个转盘各转动一次。

(e) 求 P(W=Y)P(W=Y)。

解答

(a)

解法一

思路

展开

四个可能结果概率相同,所以是离散均匀分布。

答题过程

展开

XX has a discrete uniform distribution.

(b)

(i)

解法一

思路
展开

四个取值关于 13 对称,因此期望为 13。

答题过程
展开

By symmetry,

E(X)=13.\begin{align*} E(X)=13. \end{align*}

(ii)

解法一

思路
展开

先求 E(X2)E(X^2),再使用 Var⁡(X)=E(X2)−[E(X)]2\operatorname{Var}(X)=E(X^2)-[E(X)]^2。

答题过程
展开 E(X2)= 102+122+142+1624= 174.\begin{align*} E(X^2) =&\,\frac{10^2+12^2+14^2+16^2}{4}\\ =&\,174. \end{align*}

Therefore

Var⁡(X)=174−132=5.\begin{align*} \operatorname{Var}(X)=174-13^2=5. \end{align*}

解法二

思路
展开

也可以从均值 13 直接计算平方离差。

答题过程
展开

Since E(X)=13E(X)=13,

Var⁡(X)= (10−13)2+(12−13)24 +(14−13)2+(16−13)24= 9+1+1+94= 5.\begin{align*} \operatorname{Var}(X) =&\,\frac{(10-13)^2+(12-13)^2}{4}\\ &\,\hspace{2pt}+\frac{(14-13)^2+(16-13)^2}{4}\\ =&\,\frac{9+1+1+9}{4}\\ =&\,5. \end{align*}

(c)

(i)

解法一

思路
展开

把每个取值乘以对应概率后相加。

答题过程
展开 E(Y)= 1(4)+2(9)+3(6)30 +4(5)+5(6)30= 9030=3.\begin{align*} E(Y) =&\,\frac{1(4)+2(9)+3(6)}{30}\\ &\,\hspace{2pt}+\frac{4(5)+5(6)}{30}\\ =&\,\frac{90}{30}=3. \end{align*}

(ii)

解法一

思路
展开

先算 E(Y2)E(Y^2),再减去 [E(Y)]2[E(Y)]^2。

答题过程
展开 E(Y2)= 12(4)+22(9)+32(6)30 +42(5)+52(6)30= 32430=10.8.\begin{align*} E(Y^2) =&\,\frac{1^2(4)+2^2(9)+3^2(6)}{30}\\ &\,\hspace{2pt}+\frac{4^2(5)+5^2(6)}{30}\\ =&\,\frac{324}{30}=10.8. \end{align*}

Therefore

Var⁡(Y)=10.8−32=1.8.\begin{align*} \operatorname{Var}(Y)=10.8-3^2=1.8. \end{align*}

解法二

思路
展开

也可以直接计算 E[(Y−μ)2]E[(Y-\mu)^2];由 (i) 得 μ=3\mu=3。

答题过程
展开

Using E(Y)=3E(Y)=3,

Var⁡(Y)= (1−3)2430+(2−3)2930 +(3−3)2630 +(4−3)2530+(5−3)2630= 16+9+0+5+2430= 1.8.\begin{align*} \operatorname{Var}(Y) =&\,(1-3)^2\frac4{30}+(2-3)^2\frac9{30}\\ &\,\hspace{2pt}+(3-3)^2\frac6{30}\\ &\,\hspace{4pt}+(4-3)^2\frac5{30}+(5-3)^2\frac6{30}\\ =&\,\frac{16+9+0+5+24}{30}\\ =&\,1.8. \end{align*}

(d)

解法一

思路

展开

用线性变换公式建立方程。方差方程先给出 aa,再用期望方程求 bb。

答题过程

展开

Since W=aX+bW=aX+b,

E(W)=aE(X)+b=13a+b.\begin{align*} E(W)=aE(X)+b=13a+b. \end{align*}

Given E(W)=E(Y)=3E(W)=E(Y)=3,

13a+b=3.\begin{align*} 13a+b=3. \end{align*}

Also,

Var⁡(W)=a2Var⁡(X)=5a2.\begin{align*} \operatorname{Var}(W)=a^2\operatorname{Var}(X)=5a^2. \end{align*}

Given Var⁡(W)=Var⁡(Y)=1.8\operatorname{Var}(W)=\operatorname{Var}(Y)=1.8,

5a2=1.8.\begin{align*} 5a^2=1.8. \end{align*}

Since a>0a>0,

a=1.85=0.6.\begin{align*} a=\sqrt{\frac{1.8}{5}}=0.6. \end{align*}

Then

13(0.6)+b=3,\begin{align*} 13(0.6)+b=3, \end{align*}

so

b=−4.8.\begin{align*} b=-4.8. \end{align*}

(e)

解法一

思路

展开

把 X=10,12,14,16X=10,12,14,16 代入 W=0.6X−4.8W=0.6X-4.8。这些 WW 值都不是 YY 可取的整数值。

答题过程

展开

The possible values of WW are

0.6(10)−4.8= 1.2,0.6(12)−4.8= 2.4,0.6(14)−4.8= 3.6,0.6(16)−4.8= 4.8.\begin{align*} 0.6(10)-4.8=&\,1.2,\\ 0.6(12)-4.8=&\,2.4,\\ 0.6(14)-4.8=&\,3.6,\\ 0.6(16)-4.8=&\,4.8. \end{align*}

Since YY can only take the values 1,2,3,4,51,2,3,4,5, there are no cases where W=YW=Y.

Therefore

P(W=Y)=0.\begin{align*} P(W=Y)=0. \end{align*}