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CalcGospel 國際數學圖譜
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S2 2022 Jan Q4

A Level / Edexcel / S2

IAL 2022 Jan Paper · Question 4

题目

Problem

The continuous random variable XX has a probability density function given by

 f(x)= { 12k(x−1) for 1⩽x⩽3 k for 3<x⩽6 14k(10−x) for 6<x⩽10 0 otherwise\begin{align*} &\,f(x)=\\[2mm] &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,\dfrac12k(x-1)\\[-1mm] &\,\text{for }1\leqslant x\leqslant3 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,k\\[-1mm] &\,\text{for }3<x\leqslant6 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac14k(10-x)\\[-1mm] &\,\text{for }6<x\leqslant10 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\text{otherwise} \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

where kk is a positive constant.

(a) Sketch f(x)f(x) for all values of xx

(2)

(b) Show that k=16k = \dfrac{1}{6}

(2)

(c) Specify fully the cumulative distribution function F(x)F(x) of XX

(7)

Given that E(X)=6112E(X) = \dfrac{61}{12}

(d) find P(X>E(X))P(X > E(X))

(2)

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

(2)

(Total for Question 4 is 15 marks)

题目中文翻译

连续随机变量 XX 的概率密度函数为

 f(x)= { 12k(x−1) for 1⩽x⩽3 k for 3<x⩽6 14k(10−x) for 6<x⩽10 0 otherwise\begin{align*} &\,f(x)=\\[2mm] &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,\dfrac12k(x-1)\\[-1mm] &\,\text{for }1\leqslant x\leqslant3 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,k\\[-1mm] &\,\text{for }3<x\leqslant6 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac14k(10-x)\\[-1mm] &\,\text{for }6<x\leqslant10 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\text{otherwise} \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

其中 kk 为正数常数。

(a) 画出所有 xx 值下的 f(x)f(x) 图像。

(2)

(b) 证明 k=16k = \dfrac{1}{6}。

(2)

(c) 完整写出 XX 的累积分布函数 F(x)F(x)。

(7)

已知 E(X)=6112E(X) = \dfrac{61}{12}。

(d) 求 P(X>E(X))P(X > E(X))。

(2)

(e) 描述该分布的偏度,并给出理由。

(2)

(第 4 题共 15 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

逐段读取密度函数:从 (1,0)(1,0) 线性上升到 (3,k)(3,k),随后在 3<x⩽63<x\leqslant6 保持高度 kk,最后线性下降到 (10,0)(10,0);区间外密度为 00。图上必须标出 1,3,6,101,3,6,10 和高度 kk。

答题过程

展开

The graph consists of straight-line segments joining

(1,0),(3,k),(6,k),(10,0),\begin{gathered} (1,0),\quad(3,k),\\[2mm] (6,k),\quad(10,0), \end{gathered}

with f(x)=0f(x)=0 for x<1x<1 and x>10x>10.

(b)

解法一

思路

展开

概率密度曲线下总面积为 11。图形由左侧三角形、中间长方形和右侧三角形组成,分别求面积后相加。因为题目要求证明给定结果,必须完整写出面积方程。

答题过程

展开

The total area under a probability density function is 11. Hence,

 12(3−1)k+(6−3)k +12(10−6)k= 1.\begin{align*} &\,\frac12(3-1)k+(6-3)k\\[2mm] &\,\hspace{2pt}+\frac12(10-6)k\\[2mm] =&\,1. \end{align*}

Thus,

k+3k+2k= 1,6k= 1.\begin{align*} k+3k+2k=&\,1,\\[2mm] 6k=&\,1. \end{align*}

Therefore,

k=16.\boxed{k=\frac16}.

Equivalently, treating the whole region as one trapezium gives the same area equation:

12(3+9)k=1.\frac12(3+9)k=1.

解法二

思路

展开

也可以直接对三段密度函数积分。分别使用各段正确的上下限,并令总积分等于 11。

答题过程

展开

Using the total probability,

1= ∫1312k(x−1) dx +∫36k dx +∫61014k(10−x) dx= k+3k+2k= 6k.\begin{align*} 1=&\,\int_1^3\frac12k(x-1)\,\mathrm{d}x\\[2mm] &\,\hspace{2pt}+\int_3^6k\,\mathrm{d}x\\[2mm] &\,\hspace{4pt}+\int_6^{10}\frac14k(10-x)\,\mathrm{d}x\\[2mm] =&\,k+3k+2k\\[2mm] =&\,6k. \end{align*}

Thus,

k=16.\boxed{k=\frac16}.

(c)

解法一

思路

展开

累积分布函数为 F(x)=P(X⩽x)F(x)=P(X\leqslant x)。每进入一个新区间,都要把前面区间已经累积的概率加上;这样可自然保证 F(x)F(x) 在分界点连续,并得到全部五段。

答题过程

展开

Using k=16k=\frac16, for 1⩽x⩽31\leqslant x\leqslant3,

 F(x)= ∫1x112(t−1) dt= (x−1)224.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,\int_1^x\frac1{12}(t-1)\,\mathrm{d}t\\[2mm] =&\,\frac{(x-1)^2}{24}. \end{align*}

In particular,

F(3)=16.F(3)=\frac16.

For 3<x⩽63<x\leqslant6,

 F(x)= F(3)+∫3x16 dt= 16+x−36= x−26.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,F(3)+\int_3^x\frac16\,\mathrm{d}t\\[2mm] =&\,\frac16+\frac{x-3}{6}\\[2mm] =&\,\frac{x-2}{6}. \end{align*}

Thus F(6)=23F(6)=\frac23. For 6<x⩽106<x\leqslant10, it is shortest to use the upper-tail triangle:

 F(x)= 1−∫x10124(10−t) dt= 1−(10−x)248.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,1-\int_x^{10}\frac1{24}(10-t)\,\mathrm{d}t\\[2mm] =&\,1-\frac{(10-x)^2}{48}. \end{align*}

The same last segment can also be found by accumulating from x=6x=6:

 F(x)= F(6) +∫6x10−t24 dt= 23+[10t24−t248]6x= 23+10x24−x248 −74= 20x−x2−5248.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,F(6)\\[2mm] &\,\hspace{2pt}+\int_6^x\frac{10-t}{24}\,\mathrm{d}t\\[2mm] =&\,\frac23+\bigg[\frac{10t}{24}-\frac{t^2}{48}\bigg]_6^x\\[2mm] =&\,\frac23+\frac{10x}{24}-\frac{x^2}{48}\\[2mm] &\,\hspace{2pt}-\frac74\\[2mm] =&\,\frac{20x-x^2-52}{48}. \end{align*}

Therefore,

 F(x)= { 0 for x<1 (x−1)224 for 1⩽x⩽3 x−26 for 3<x⩽6 1−(10−x)248 for 6<x⩽10 1 for x>10.\begin{align*} &\,F(x)=\\[2mm] &\,\begin{cases} \begin{aligned} &\,0\\[-1mm] &\,\text{for }x<1 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac{(x-1)^2}{24}\\[-1mm] &\,\text{for }1\leqslant x\leqslant3 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,\dfrac{x-2}{6}\\[-1mm] &\,\text{for }3<x\leqslant6 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,1-\dfrac{(10-x)^2}{48}\\[-1mm] &\,\text{for }6<x\leqslant10 \end{aligned}\\[3mm] \begin{aligned} &\,1\\[-1mm] &\,\text{for }x>10. \end{aligned} \end{cases} \end{align*}

解法二

思路

展开

每一段先作不定积分,再用边界处的累积概率确定常数。第一段用 F(1)=0F(1)=0,第二段承接 F(3)=1/6F(3)=1/6,最后一段用 F(10)=1F(10)=1。这样可以不反复计算定积分的上下限,也能得到连续衔接的分段函数。

答题过程

展开

For 1⩽x⩽31\leqslant x\leqslant3, integrating the density gives

F(x)= ∫x−112 dx= (x−1)224+C1.\begin{align*} F(x)=&\,\int\frac{x-1}{12}\,\mathrm{d}x\\[2mm] =&\,\frac{(x-1)^2}{24}+C_1. \end{align*}

Since F(1)=0F(1)=0, we have C1=0C_1=0, so

F(x)=(x−1)224.F(x)=\frac{(x-1)^2}{24}.

In particular, F(3)=1/6F(3)=1/6. For 3<x⩽63<x\leqslant6,

F(x)=∫16 dx=x6+C2.F(x)=\int\frac16\,\mathrm{d}x=\frac{x}{6}+C_2.

Using the value at x=3x=3,

36+C2= 16,C2= −13.\begin{align*} \frac36+C_2=&\,\frac16,\\[2mm] C_2=&\,-\frac13. \end{align*}

Therefore,

F(x)=x−26.F(x)=\frac{x-2}{6}.

For 6<x⩽106<x\leqslant10, integrating the density gives

 F(x)= ∫10−x24 dx= C3−(10−x)248.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,\int\frac{10-x}{24}\,\mathrm{d}x\\[2mm] =&\,C_3-\frac{(10-x)^2}{48}. \end{align*}

Since F(10)=1F(10)=1, we have C3=1C_3=1. Thus,

 F(x)= 1−(10−x)248.\begin{align*} &\,F(x)\\[2mm] =&\,1-\frac{(10-x)^2}{48}. \end{align*}

Finally, F(x)=0F(x)=0 for x<1x<1 and F(x)=1F(x)=1 for x>10x>10. Combining all five intervals gives the complete cumulative distribution function stated above.

(d)

解法一

思路

展开

6112\frac{61}{12} 位于 33 与 66 之间,所以必须使用 (c) 的第三段 F(x)=x−26F(x)=\frac{x-2}{6}。所求右尾概率为 1−F(E(X))1-F(E(X))。

答题过程

展开

Since

3<6112<6,3<\frac{61}{12}<6,

we use F(x)=x−26F(x)=\frac{x-2}{6}. Hence,

 P(X>E(X))= 1−F(6112)= 1−6112−26= 1−3772= 3572≈0.486.\begin{align*} &\,P\big(X>E(X)\big)\\[2mm] =&\,1-F\Big(\frac{61}{12}\Big)\\[2mm] =&\,1-\frac{\frac{61}{12}-2}{6}\\[2mm] =&\,1-\frac{37}{72}\\[2mm] =&\,\boxed{\frac{35}{72}\approx0.486}. \end{align*}

(e)

解法一

思路

展开

由 (d),均值右侧的概率小于 0.50.5,所以均值左侧的概率大于 0.50.5。这表示中位数位于均值左侧,即 mean>median\text{mean}>\text{median},对应正偏分布。

答题过程

展开

From part (d),

 P(X>E(X))= 3572<0.5.\begin{align*} &\,P\big(X>E(X)\big)\\[2mm] =&\,\frac{35}{72}<0.5. \end{align*}

Therefore more than half of the distribution lies below the mean, so

mean>median.\text{mean}>\text{median}.

Hence the distribution is positively skewed. This also agrees with the sketch: its right-hand sloping tail extends farther than its left-hand sloping tail.