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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2022 Jan S2 Q7

A Level / Edexcel / S2

IAL 2022 Jan Paper · Question 7

题目

Problem

The sides of a square are each of length LL cm and its area is AA cm2^2

Given that AA is uniformly distributed on the interval [10, 30]

(a) find P(L4.5)P(L \geqslant 4.5)

(2)

(b) find Var(L)\operatorname{Var}(L)

(6)

(Total for Question 7 is 8 marks)

题目中文翻译

正方形的边长均为 LL cm,其面积为 AA cm2^2

已知 AA 在区间 [10, 30] 上均匀分布。

(a) 求 P(L4.5)P(L \geqslant 4.5)

(b) 求 Var(L)\operatorname{Var}(L)

(第 7 题共 8 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

正方形面积满足 A=L2A=L^2,而边长为正,所以 L4.5L\geqslant 4.5 等价于 A4.52=20.25A\geqslant 4.5^2=20.25。由于 AA[10,30][10,30] 上均匀分布,概率就是相应区间长度占总区间长度的比例。

答题过程

展开

Since A=L2A=L^2 and L>0L>0,

P(L4.5)=P(A20.25).P(L\geqslant 4.5)=P(A\geqslant 20.25).

As AU(10,30)A\sim\operatorname{U}(10,30),

P(A20.25)=3020.253010=9.7520=0.4875.\begin{align*} P(A\geqslant 20.25)=&\,\frac{30-20.25}{30-10}\\[2mm] =&\,\frac{9.75}{20}\\[2mm] =&\,\boxed{0.4875}. \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

使用 Var(L)=E(L2)[E(L)]2\operatorname{Var}(L)=E(L^2)-[E(L)]^2。因为 L2=AL^2=A,所以 E(L2)=E(A)=20E(L^2)=E(A)=20;而 L=AL=\sqrt A,可直接对 AA 的均匀分布密度积分求 E(L)E(L)

答题过程

展开

Since L2=AL^2=A,

E(L2)=E(A)=10+302=20.E(L^2)=E(A)=\frac{10+30}{2}=20.

Also, L=AL=\sqrt A and AU(10,30)A\sim\operatorname{U}(10,30), so

E(L)=1201030ada=120[23a3/2]1030=30103=4.4231\begin{align*} E(L)=&\,\frac{1}{20}\int_{10}^{30}\sqrt a\,\mathrm{d}a\\[2mm] =&\,\frac{1}{20} \left[\frac{2}{3}a^{3/2}\right]_{10}^{30}\\[2mm] =&\,\sqrt{30}-\frac{\sqrt{10}}{3}\\[2mm] =&\,4.4231\ldots \end{align*}

Therefore,

Var(L)=E(L2)[E(L)]2=20(30103)2=0.435894\begin{align*} \operatorname{Var}(L)=&\,E(L^2)-[E(L)]^2\\[2mm] =&\,20-\left(\sqrt{30}-\frac{\sqrt{10}}{3}\right)^2\\[2mm] =&\,0.435894\ldots \end{align*}

Hence,

Var(L)=0.436(3 s.f.).\boxed{\operatorname{Var}(L)=0.436}\quad\text{(3 s.f.)}.

解法二

思路

展开

官方评分资料也接受先求 LL 的概率密度函数。由 A=L2A=L^2 作变量变换,fA(a)=120f_A(a)=\frac1{20},并乘上导数 dadl=2l\frac{\mathrm{d}a}{\mathrm{d}l}=2l,得到 g(l)=l10g(l)=\frac l{10};再用它积分求 E(L)E(L)

答题过程

展开

Since A=L2A=L^2,

10L30.\sqrt{10}\leqslant L\leqslant\sqrt{30}.

The probability density function of LL is

g(l)=fA(l2)d(l2)dl=120(2l)=l10,\begin{align*} g(l)=&\,f_A(l^2)\frac{\mathrm{d}(l^2)}{\mathrm{d}l}\\[2mm] =&\,\frac{1}{20}(2l)\\[2mm] =&\,\frac{l}{10}, \end{align*}

for 10l30\sqrt{10}\leqslant l\leqslant\sqrt{30}, and g(l)=0g(l)=0 otherwise.

Thus,

E(L)=1030lg(l)dl=1101030l2dl=110[l33]1030=30103=4.4231\begin{align*} E(L)=&\,\int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{30}}l g(l)\,\mathrm{d}l\\[2mm] =&\,\frac{1}{10}\int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{30}}l^2\,\mathrm{d}l\\[2mm] =&\,\frac{1}{10} \left[\frac{l^3}{3}\right]_{\sqrt{10}}^{\sqrt{30}}\\[2mm] =&\,\sqrt{30}-\frac{\sqrt{10}}{3}\\[2mm] =&\,4.4231\ldots \end{align*}

As before, E(L2)=E(A)=20E(L^2)=E(A)=20. Therefore,

Var(L)=20[E(L)]2=20(4.4231)2=0.436(3 s.f.).\begin{align*} \operatorname{Var}(L)=&\,20-[E(L)]^2\\[2mm] =&\,20-(4.4231\ldots)^2\\[2mm] =&\,\boxed{0.436}\quad\text{(3 s.f.)}. \end{align*}