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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2018 Oct S2 Q3

A Level / Edexcel / S2

IAL 2018 Oct Paper · Question 3

题目

Problem

The function f(x)f(x) is defined as

f(x)={19(x+5)(3x),1x40,otherwisef(x)= \begin{cases} \dfrac{1}{9}(x+5)(3-x), & 1 \leq x \leq 4 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

Albert believes that f(x)f(x) is a valid probability density function.

(a) Sketch f(x)f(x) and comment on Albert’s belief.

(3)

The continuous random variable YY has probability density function given by

g(y)={ky(12y2),1y30,otherwiseg(y)= \begin{cases} ky(12-y^2), & 1 \leq y \leq 3 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

where kk is a positive constant.

(b) Use calculus to find the mode of YY

(3)

(c) Use algebraic integration to find the value of kk

(3)

(d) Find the median of YY giving your answer to 3 significant figures.

(3)

(e) Describe the skewness of the distribution of YY giving a reason for your answer.

(2)
题目中文翻译

函数 f(x)f(x) 定义为

f(x)={19(x+5)(3x),1x40,otherwisef(x)= \begin{cases} \dfrac{1}{9}(x+5)(3-x), & 1 \leq x \leq 4 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

Albert 认为 f(x)f(x) 是一个有效的概率密度函数。

(a) 画出 f(x)f(x) 的图像,并评价 Albert 的看法。

连续随机变量 YY 的概率密度函数为

g(y)={ky(12y2),1y30,otherwiseg(y)= \begin{cases} ky(12-y^2), & 1 \leq y \leq 3 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}

其中 kk 为正常数。

(b) 用微积分求 YY 的众数。

(c) 用代数积分求 kk 的值。

(d) 求 YY 的中位数,答案保留 3 位有效数字。

(e) 描述 YY 分布的偏态,并给出理由。

解答

(a)

解法一

思路

展开

在区间 [1,4][1,4] 上,f(x)f(x) 是开口向下且单调递减的二次函数。先算出端点与横轴交点,便可画出正确的曲线;再检查概率密度函数必须处处非负这一条件。

答题过程

展开

For 1x41\leqslant x\leqslant4,

f(x)=19(x22x+15).f(x)=\frac19(-x^2-2x+15).

The curve is a decreasing quadratic on this interval, passing through

(1,43),(3,0),(4,1).\big(1,\tfrac43\big), \qquad (3,0), \qquad (4,-1).

For 3<x43<x\leqslant4, f(x)<0f(x)<0. A probability density function cannot take negative values, so Albert’s belief is incorrect: f(x)f(x) is not a valid probability density function.

(b)

解法一

思路

展开

众数对应密度函数的最大值。由于 k>0k>0,先把 g(y)g(y) 展开后求导,令导数为 0 求出驻点,再用二阶导数确认它是极大值点。

答题过程

展开

For 1y31\leqslant y\leqslant3,

g(y)=k(12yy3).g(y)=k(12y-y^3).

Therefore,

g(y)=k(123y2).g'(y)=k(12-3y^2).

At a stationary point,

k(123y2)=0y2=4.\begin{align*} k(12-3y^2)=&\,0 \\ y^2=&\,4. \end{align*}

Since 1y31\leqslant y\leqslant3, y=2y=2. Also,

g(2)=6k(2)=12k<0,g''(2)=-6k(2)=-12k<0,

so this is a maximum. Hence the mode of YY is

2.\boxed{2}.

(c)

解法一

思路

展开

概率密度函数在整个支持区间上的积分等于 1。把 g(y)g(y)[1,3][1,3] 上积分并令结果为 1,即可求出归一化常数 kk

答题过程

展开

Since the total probability is 1,

13k(12yy3)dy=1k[6y214y4]13=1k(1354234)=128k=1.\begin{align*} \int_1^3k(12y-y^3)\,\mathrm{d}y=&\,1 \\ k\big[6y^2-\tfrac14y^4\big]_1^3=&\,1 \\ k\bigg(\frac{135}{4}-\frac{23}{4}\bigg)=&\,1 \\ 28k=&\,1. \end{align*}

Therefore,

k=128.\boxed{k=\frac1{28}}.

(d)

解法一

思路

展开

设中位数为 mm,则中位数左侧的累计概率为 0.50.5。使用 (c) 的 k=128k=\frac1{28},从支持区间左端点 1 积分到 mm,化成关于 m2m^2 的二次方程,再按 1m31\leqslant m\leqslant3 筛选有效根。

答题过程

展开

Let mm be the median of YY. Then

1m128(12yy3)dy=0.5.\int_1^m\frac1{28}(12y-y^3)\,\mathrm{d}y=0.5.

Hence,

128(6m2m44234)=12m424m2+79=0.\begin{align*} \frac1{28} \bigg(6m^2-\frac{m^4}{4}-\frac{23}{4}\bigg) =&\,\frac12 \\ m^4-24m^2+79=&\,0. \end{align*}

Treating this as a quadratic in m2m^2 gives

m2=12±65.m^2=12\pm\sqrt{65}.

Since 1m31\leqslant m\leqslant3, the valid root is

m=1265=1.984371.98(3 s.f.).\begin{align*} m=&\,\sqrt{12-\sqrt{65}} \\ =&\,1.98437\ldots \\ \approx&\,\boxed{1.98}\quad\text{(3 s.f.)}. \end{align*}

(e)

解法一

思路

展开

比较 (b) 的众数与 (d) 的中位数。两者都约等于 2,几乎重合,因此分布没有明显偏态。

答题过程

展开

The mode is 22 and the median is 1.984371.98437\ldots. Since

medianmode,\text{median}\approx\text{mode},

the distribution has no appreciable skew; it is approximately symmetric.

解法二

思路

展开

官方评分资料也允许用均值参与比较。由期望积分求出均值约为 1.991.99,再与中位数和众数比较;三者非常接近,同样说明分布没有明显偏态。

答题过程

展开

The mean is

E(Y)=13y[128y(12y2)]dy=128[4y315y5]13=13970=1.9857.\begin{align*} E(Y) =&\,\int_1^3y\bigg[\frac1{28}y(12-y^2)\bigg] \,\mathrm{d}y \\ =&\,\frac1{28} \big[4y^3-\tfrac15y^5\big]_1^3 \\ =&\,\frac{139}{70} \\ =&\,1.9857\ldots. \end{align*}

Thus the mean, median and mode are all approximately 22. Therefore, the distribution has no appreciable skew.

=&\,\int_1^3y\bigg[\frac1{28}y(12-y^2)\bigg]