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CalcGospel 國際數學圖譜
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S2 2021 Oct Q3

A Level / Edexcel / S2

IAL 2021 Oct Paper · Question 3

题目

Problem

A continuous random variable XX has cumulative distribution function

 F(x)= { 0 for x<0 4ax2 for 0⩽x⩽1 a(bx3−x4+1) for 1<x⩽3 1 for x>3\begin{align*} &\,F(x)= \\[4mm] &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,0 \\[-1mm] &\,\text{for }x<0 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,4ax^2 \\[-1mm] &\,\text{for }0\leqslant x\leqslant1 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,a\big(bx^3-x^4+1\big) \\[-1mm] &\,\text{for }1<x\leqslant3 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,1 \\[-1mm] &\,\text{for }x>3 \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

where aa and bb are positive constants.

(a) Show that b=4b = 4

(1)

(b) Find the exact value of aa

(2)

(c) Find P(X>2.25)P(X > 2.25)

(2)

(d) Showing your working clearly,

(i) sketch the probability density function of XX

(ii) calculate the mode of XX

(5)

(Total for Question 3 is 10 marks)

题目中文翻译

连续随机变量 XX 的累计分布函数为

 F(x)= { 0 for x<0 4ax2 for 0⩽x⩽1 a(bx3−x4+1) for 1<x⩽3 1 for x>3\begin{align*} &\,F(x)= \\[4mm] &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,0 \\[-1mm] &\,\text{for }x<0 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,4ax^2 \\[-1mm] &\,\text{for }0\leqslant x\leqslant1 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,a\big(bx^3-x^4+1\big) \\[-1mm] &\,\text{for }1<x\leqslant3 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,1 \\[-1mm] &\,\text{for }x>3 \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

其中 aa 和 bb 为正常数。

(a) 证明 b=4b=4。

(1)

(b) 求 aa 的精确值。

(2)

(c) 求 P(X>2.25)P(X>2.25)。

(2)

(d) 清楚写出你的过程,

(i) 画出 XX 的概率密度函数草图。

(ii) 求 XX 的众数。

(5)

(第 3 题共 10 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

累积分布函数必须连续。令 x=1x=1 左右两段的表达式相等,再利用 aa 为正数,所以可以约去 aa,自然推出 b=4b=4。

答题过程

展开

Continuity of FF at x=1x=1 gives

4a(1)2=a(b(1)3−14+1).4a(1)^2=a(b(1)^3-1^4+1).

Therefore,

4a=ab.4a=ab.

Since a>0a>0, it follows that

b=4,\boxed{b=4},

as required.

(b)

解法一

思路

展开

支持区间的右端点为 3,而 x>3x>3 时 F(x)=1F(x)=1。利用累积分布函数在 x=3x=3 连续,把 b=4b=4 代入第三段并令 F(3)=1F(3)=1,即可求出 aa。

答题过程

展开

Continuity at x=3x=3 gives

a(27b−81+1)=1.a(27b-81+1)=1.

Using b=4b=4,

a(108−81+1)= 128a= 1.\begin{align*} a(108-81+1)=&\,1 \\[4mm] 28a=&\,1. \end{align*}

Hence,

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

(c)

解法一

思路

展开

由于 2.252.25 位于第三段,先把 (a)、(b) 求得的 a,ba,b 代入该段计算 F(2.25)F(2.25),再用总概率 1 减去这个累计概率。

答题过程

展开

Using a=1/28a=1/28 and b=4b=4,

 F(2.25) =128[4(2.25)3 −(2.25)4+1] =53597168.\begin{align*} &\,F(2.25) \\[4mm] &\,=\frac1{28}\big[4(2.25)^3 \\[4mm] &\,\hspace{2pt}-(2.25)^4+1\big] \\[4mm] &\,=\frac{5359}{7168}. \end{align*}

Since F(3)=1F(3)=1, the required probability can be written as F(3)−F(2.25)F(3)-F(2.25), or equivalently as the complement:

 P(X>2.25) =1−F(2.25) =1−53597168 =18097168 =0.252371….\begin{align*} &\,P(X>2.25) \\[4mm] &\,=1-F(2.25) \\[4mm] &\,=1-\frac{5359}{7168} \\[4mm] &\,=\frac{1809}{7168} \\[4mm] &\,=0.252371\ldots. \end{align*}

Therefore, P(X>2.25)=0.252P(X>2.25)=\boxed{0.252} to 3 significant figures.

(d)(i)

解法一

思路

展开

概率密度函数是累积分布函数的导数。分别对两个非恒定分段求导:第一段得到从原点上升的直线;第二段得到一条在 x=1x=1 与前段连接、先上升后下降并在 x=3x=3 回到横轴的光滑曲线。定义域外密度为 0。

答题过程

展开

Using a=1/28a=1/28 and b=4b=4, differentiate the first nonconstant part of FF:

 f(x)=ddx(4ax2) f(x)=8ax=27x.\begin{align*} &\,f(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(4ax^2) \\[4mm] &\,\hphantom{f(x)}=8ax=\frac27x. \end{align*}

For the second nonconstant part, applying the power rule gives

f(x)= a(12x2−4x3)= 37x2−17x3.\begin{align*} f(x)=&\,a(12x^2-4x^3) \\[4mm] =&\,\frac37x^2-\frac17x^3. \end{align*}

The constant parts have derivative zero. Thus, over the whole range,

 f(x)= { 27x for 0⩽x⩽1 37x2−17x3 for 1<x⩽3 0 otherwise.\begin{align*} &\,f(x)= \\[4mm] &\, \begin{cases} \begin{aligned} &\,\dfrac27x \\[-1mm] &\,\text{for }0\leqslant x\leqslant1 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac37x^2-\dfrac17x^3 \\[-1mm] &\,\text{for }1<x\leqslant3 \end{aligned} \\[3mm] \begin{aligned} &\,0 \\[-1mm] &\,\text{otherwise}. \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

The straight-line section joins (0,0)(0,0) to (1,2/7)(1,2/7). The smooth second section starts at (1,2/7)(1,2/7), reaches its maximum at x=2x=2, and returns to the horizontal axis at x=3x=3.

(d)(ii)

解法一

思路

展开

第一段密度随 xx 增加,在 x=1x=1 处为 2/72/7。第二段内部的最大值通过再次求导并令导数为 0 求得;符合 1<x<31<x<3 的驻点是 x=2x=2,其密度高于第一段的最大值,所以它是整个分布的众数。

答题过程

展开

For 1<x<31<x<3,

f(x)=37x2−17x3.f(x)=\frac37x^2-\frac17x^3.

Differentiating,

f′(x)= 67x−37x2= 37x(2−x).\begin{align*} f'(x)=&\,\frac67x-\frac37x^2 \\[4mm] =&\,\frac37x(2-x). \end{align*}

Thus f′(x)=0f'(x)=0 at x=0x=0 or x=2x=2. Only x=2x=2 lies in the interval 1<x<31<x<3. Also,

f(2)=47>27=f(1),f(2)=\frac47>\frac27=f(1),

and the density decreases from x=2x=2 to x=3x=3. Therefore, the mode is

2.\boxed{2}.