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CalcGospel 國際數學圖譜
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S2 2020 Jan Q4

A Level / Edexcel / S2

IAL 2020 Jan Paper · Question 4

题目

Problem

The random variable TT has probability density function f(t)f(t) where

 f(t)= { 13 for 1⩽t<2 k(4t2−t3) for 2⩽t⩽4 0 otherwise\begin{align*} &\,f(t)=\\ &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,\dfrac{1}{3}\\[-1mm] &\,\quad \text{for }1 \leqslant t < 2 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,k(4t^2-t^3)\\[-1mm] &\,\quad \text{for }2 \leqslant t \leqslant 4 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\quad \text{otherwise} \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

(a) Show that k=122k=\dfrac1{22}

(3)

(b) Sketch the probability density function.

(2)

(c) Find the mode of TT.

(3)

(d) Find the cumulative distribution function F(t)F(t) for all values of tt.

(5)

(e) Find the probability that TT is greater than 3

(2)

(Total for Question 4 is 15 marks)

题目中文翻译

随机变量 TT 的概率密度函数 f(t)f(t) 为

 f(t)= { 13 for 1⩽t<2 k(4t2−t3) for 2⩽t⩽4 0 otherwise\begin{align*} &\,f(t)=\\ &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,\dfrac{1}{3}\\[-1mm] &\,\quad \text{for }1 \leqslant t < 2 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,k(4t^2-t^3)\\[-1mm] &\,\quad \text{for }2 \leqslant t \leqslant 4 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\quad \text{otherwise} \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

(a) 证明 k=122k=\dfrac{1}{22}。

(3)

(b) 画出概率密度函数的草图。

(2)

(c) 求 TT 的众数。

(3)

(d) 求所有取值下的累积分布函数 F(t)F(t)。

(5)

(e) 求 TT 大于 3 的概率。

(2)

(第 4 题共 15 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

概率密度函数在整个定义域上的积分必须等于 1。分别对两个区间积分并相加,即可解出 kk;由于题目要求证明给定结果,推导中保留完整积分过程。

答题过程

展开

Since the total area under a probability density function is 1,

 ∫1213 dt +∫24k(4t2−t3) dt=1.\begin{align*} &\,\int_1^2\frac13\,\mathrm{d}t\\ &\,\hspace{2pt}+\int_2^4k(4t^2-t^3)\,\mathrm{d}t=1. \end{align*}

Therefore,

13+k[4t33−t44]24= 113+44k3= 144k= 2.\begin{align*} \frac13 +k\left[\frac{4t^3}{3}-\frac{t^4}{4}\right]_2^4 =&\,1 \\[4mm] \frac13+\frac{44k}{3} =&\,1 \\[4mm] 44k=&\,2. \end{align*}

Hence,

k=122,\boxed{k=\frac1{22}},

as required.

(b)

解法一

思路

展开

在 1⩽t<21\leqslant t<2 上,图像是高度为 1/31/3 的水平线。在 t=2t=2 处函数值跳至 4/114/11,随后曲线先上升再下降,并在 t=4t=4 到达横轴;不应画出连接跳跃两端的实心竖线。

答题过程

展开

The sketch has:

  • a horizontal section f(t)=1/3f(t)=1/3 for 1⩽t<21\leqslant t<2;
  • a jump to f(2)=4/11f(2)=4/11;
  • a curved section that first rises and then falls to f(4)=0f(4)=0;
  • the values t=1t=1, t=2t=2 and t=4t=4 labelled on the horizontal axis.

(c)

解法一

思路

展开

第一段密度恒为 1/31/3。第二段曲线的最高点可通过求导并令导数为零得到;再与第一段及端点的高度比较,即可确认全局众数。

答题过程

展开

For 2⩽t⩽42\leqslant t\leqslant4,

f′(t)=122(8t−3t2).f'(t)=\frac1{22}(8t-3t^2).

At a stationary point,

8t−3t2= 0t(8−3t)= 0.\begin{align*} 8t-3t^2=&\,0 \\[4mm] t(8-3t)=&\,0. \end{align*}

The solution in [2,4][2,4] is t=8/3t=8/3. The density rises before this point and falls after it, and its value there exceeds the constant density 1/31/3 on the first interval. Hence the mode is

83.\boxed{\frac83}.

(d)

解法一

思路

展开

累积分布函数是从最左端累积到 tt 的概率。区间 1⩽t<21\leqslant t<2 只积第一段;区间 2⩽t⩽42\leqslant t\leqslant4 要先带上 F(2)=1/3F(2)=1/3,再从 2 积分至 tt。定义域外分别为 0 和 1。

答题过程

展开

For 1⩽t<21\leqslant t<2,

F(t)=∫1t13 dx=t3−13.F(t)=\int_1^t\frac13\,\mathrm{d}x =\frac{t}{3}-\frac13.

Also, F(2)=1/3F(2)=1/3. For 2⩽t⩽42\leqslant t\leqslant4,

 F(t)= 13+∫2t122(4x2−x3) dx= 13+122[4x33−x44]2t= 2t333−t488+133.\begin{align*} &\,F(t)\\ =&\,\frac13 +\int_2^t\frac1{22}(4x^2-x^3)\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\,\frac13 +\frac1{22}\left[\frac{4x^3}{3}-\frac{x^4}{4}\right]_2^t \\[4mm] =&\,\frac{2t^3}{33}-\frac{t^4}{88}+\frac1{33}. \end{align*}

Therefore,

 F(t)= { 0 for t<1 t3−13 for 1⩽t<2 2t333−t488+133 for 2⩽t⩽4 1 for t>4.\begin{align*} &\,F(t)=\\ &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\quad \text{for }t<1 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac{t}{3}-\dfrac13\\[-1mm] &\,\quad \text{for }1\leqslant t<2 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac{2t^3}{33}-\dfrac{t^4}{88}+\dfrac1{33}\\[-1mm] &\,\quad \text{for }2\leqslant t\leqslant4 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,1\\[-1mm] &\,\quad \text{for }t>4. \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

解法二

思路

展开

也可以先对每一段密度函数作不定积分,再利用端点的累积概率确定常数。左段用 F(1)=0F(1)=0,右段用 F(4)=1F(4)=1;最后核对在 t=2t=2 处两段都给出 1/31/3。

答题过程

展开

For 1⩽t<21\leqslant t<2, integrating the density gives

F(t)=t3+C1.F(t)=\frac{t}{3}+C_1.

Since F(1)=0F(1)=0,

0= 13+C1,C1= −13.\begin{align*} 0=&\,\frac13+C_1,\\[4mm] C_1=&\,-\frac13. \end{align*}

Thus

F(t)=t3−13.F(t)=\frac{t}{3}-\frac13.

For 2⩽t⩽42\leqslant t\leqslant4,

 F(t)= ∫122(4t2−t3) dt= 2t333−t488+C2.\begin{align*} &\,F(t)\\[4mm] =&\,\int\frac1{22}(4t^2-t^3)\,\mathrm{d}t\\[4mm] =&\,\frac{2t^3}{33}-\frac{t^4}{88}+C_2. \end{align*}

Using F(4)=1F(4)=1,

1= 12833−3211 +C2= 3233+C2,C2= 133.\begin{align*} 1=&\,\frac{128}{33}-\frac{32}{11}\\[4mm] &\,\hspace{2pt}+C_2\\[4mm] =&\,\frac{32}{33}+C_2,\\[4mm] C_2=&\,\frac1{33}. \end{align*}

Hence, on this interval,

 F(t)= 2t333−t488+133.\begin{align*} &\,F(t)\\[4mm] =&\,\frac{2t^3}{33}-\frac{t^4}{88}+\frac1{33}. \end{align*}

Both pieces give F(2)=1/3F(2)=1/3. Together with F(t)=0F(t)=0 for t<1t<1 and F(t)=1F(t)=1 for t>4t>4, these give the same cumulative distribution function as above.

(e)

解法一

思路

展开

利用上一小题求得的累积分布函数,P(T>3)P(T>3) 等于 1−F(3)1-F(3)。这也清楚体现了本小题与 (d) 的承接关系。

答题过程

展开

Using the result from part (d),

 P(T>3)= 1−F(3)= 1−(2(3)333−3488+133)= 67264= 0.254(3 s.f.).\begin{align*} &\,P(T>3)\\ =&\,1-F(3) \\[4mm] =&\,1-\left( \frac{2(3)^3}{33}-\frac{3^4}{88}+\frac1{33} \right) \\[4mm] =&\,\frac{67}{264} \\[4mm] =&\,\boxed{0.254}\quad\text{(3 s.f.)}. \end{align*}

解法二

思路

展开

也可以直接把概率密度函数从 3 积到 4。这条路线不依赖 (d) 的累积分布函数,可作为独立核对。

答题过程

展开

Alternatively,

 P(T>3)= ∫34122(4t2−t3) dt= 122[4t33−t44]34= 67264= 0.254(3 s.f.).\begin{align*} &\,P(T>3)\\ =&\,\int_3^4\frac1{22}(4t^2-t^3)\,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\,\frac1{22} \left[\frac{4t^3}{3}-\frac{t^4}{4}\right]_3^4 \\[4mm] =&\,\frac{67}{264} \\[4mm] =&\,\boxed{0.254}\quad\text{(3 s.f.)}. \end{align*}