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CalcGospel 國際數學圖譜
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S2 2022 Oct Q2

A Level / Edexcel / S2

IAL 2022 Oct Paper · Question 2

题目

Problem

A random variable XX has probability density function given by

 f(x)= {14,−12⩽x<12,2x−34,12⩽x⩽k,0,otherwise.\begin{aligned} &\,f(x)=\\ &\,\begin{cases} \dfrac14,\\ \qquad-\dfrac12\leqslant x<\dfrac12,\\[2mm] 2x-\dfrac34,\\ \qquad\dfrac12\leqslant x\leqslant k,\\[2mm] 0,\quad\text{otherwise}. \end{cases} \end{aligned}

where kk is a positive constant.

(a) Sketch the graph of f(x)f(x)

(2)

(b) By forming and solving an equation in kk, show that k=1.25k = 1.25

(4)

(c) Use calculus to find E(X)E(X)

(4)

(d) Calculate the interquartile range of XX

(5)

(Total for Question 2 is 15 marks)

题目中文翻译

随机变量 XX 的概率密度函数为

 f(x)= {14,−12⩽x<12,2x−34,12⩽x⩽k,0,otherwise.\begin{aligned} &\,f(x)=\\ &\,\begin{cases} \dfrac14,\\ \qquad-\dfrac12\leqslant x<\dfrac12,\\[2mm] 2x-\dfrac34,\\ \qquad\dfrac12\leqslant x\leqslant k,\\[2mm] 0,\quad\text{otherwise}. \end{cases} \end{aligned}

其中 kk 为正数常数。

(a) 画出 f(x)f(x) 的图像。

(2)

(b) 通过建立并求解关于 kk 的方程,证明 k=1.25k = 1.25。

(4)

(c) 使用微积分求 E(X)E(X)。

(4)

(d) 计算 XX 的四分位距。

(5)

(第 2 题共 15 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

在 −0.5⩽x<0.5-0.5\leqslant x<0.5 上,图像是高度为 0.250.25 的水平线段;在 0.5⩽x⩽k0.5\leqslant x\leqslant k 上,图像是斜率为 2 的直线段,并在 x=kx=k 处达到 2k−0.752k-0.75。定义域外的概率密度为 0,图像不能落到横轴下方。

答题过程

展开

The graph consists of a horizontal segment from (−0.5,0.25)(-0.5,0.25) to (0.5,0.25)(0.5,0.25), followed by a straight-line segment from (0.5,0.25)(0.5,0.25) to (k,2k−0.75)(k,2k-0.75). Also, f(x)=0f(x)=0 outside the interval [−0.5,k][-0.5,k].

(b)

解法一

思路

展开

概率密度函数图像下的总面积为 1。左侧是宽为 1、高为 1/41/4 的长方形;右侧是两条平行边分别为 1/41/4 和 2k−3/42k-3/4、宽为 k−1/2k-1/2 的梯形。令两部分面积之和为 1,解所得二次方程,并用 kk 为正数排除负根。

答题过程

展开

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

 14 +12(14+2k−34) ×(k−12) =1.\begin{align*} &\,\frac14\\ &\,\hspace{2pt}+\frac12\Big(\frac14+2k-\frac34\Big)\\ &\,\hspace{8pt}\times\Big(k-\frac12\Big)\\ &\,=1. \end{align*}

Therefore,

 14+12(2k−12) ×(k−12) =1, k2−34k+38=1, 8k2−6k−5=0, (4k−5)(2k+1)=0.\begin{align*} &\,\frac14+\frac12\Big(2k-\frac12\Big)\\ &\,\hspace{8pt}\times\Big(k-\frac12\Big)\\ &\,=1,\\[2mm] &\,k^2-\frac34k+\frac38=1,\\ &\,8k^2-6k-5=0,\\ &\,(4k-5)(2k+1)=0. \end{align*}

Thus k=5/4k=5/4 or k=−1/2k=-1/2. Since kk is positive,

k=54=1.25.\boxed{k=\frac54=1.25}.

解法二

思路

展开

也可以直接分段积分,使概率密度在整个定义域上的积分等于 1。积分后会得到与几何面积法等价的二次方程,最后同样排除负根。

答题过程

展开

The total probability is 1, so

 ∫−1/21/214 dx +∫1/2k(2x−34) dx =1.\begin{align*} &\,\int_{-1/2}^{1/2}\frac14\,\mathrm{d}x\\ &\,\hspace{2pt}+\int_{1/2}^k\Big(2x-\frac34\Big)\,\mathrm{d}x\\ &\,=1. \end{align*}

Hence,

 14+[x2−34x]1/2k =1, 14+k2−34k+18 =1, k2−34k−58=0, (4k−5)(2k+1)=0.\begin{align*} &\,\frac14+\Big[x^2-\frac34x\Big]_{1/2}^k\\ &\,=1,\\[2mm] &\,\frac14+k^2-\frac34k+\frac18\\ &\,=1,\\[2mm] &\,k^2-\frac34k-\frac58=0,\\ &\,(4k-5)(2k+1)=0. \end{align*}

Since k>0k>0, k=5/4=1.25k=5/4=1.25, as required.

解法三

思路

展开

把整个面积分成高度为 1/41/4、宽为 k+1/2k+1/2 的长方形,以及底为 k−1/2k-1/2、高为 2k−12k-1 的三角形。两部分面积之和等于 1。

答题过程

展开

The rectangle has area

14(k+12).\frac14\Big(k+\frac12\Big).

The height of the triangle is

(2k−34)−14=2k−1.\Big(2k-\frac34\Big)-\frac14=2k-1.

Hence the total area gives

 14(k+12) +12(2k−1)(k−12) =1.\begin{align*} &\,\frac14\Big(k+\frac12\Big)\\ &\,\hspace{2pt}+\frac12(2k-1)\Big(k-\frac12\Big)\\ &\,=1. \end{align*}

Therefore,

 k4+18+(k−12)2 =1, k2−34k−58=0, (4k−5)(2k+1)=0.\begin{align*} &\,\frac{k}{4}+\frac18+\Big(k-\frac12\Big)^2\\ &\,=1,\\ &\,k^2-\frac34k-\frac58=0,\\ &\,(4k-5)(2k+1)=0. \end{align*}

The roots are 5/45/4 and −1/2-1/2. Since k>0k>0,

k=54=1.25.\boxed{k=\frac54=1.25}.

(c)

解法一

思路

展开

连续型随机变量的期望为 E(X)=∫xf(x) dxE(X)=\int xf(x)\,\mathrm{d}x,需要按密度函数的两段分别积分。第一段的被积函数 x/4x/4 关于原点为奇函数,在对称区间上的积分为 0;第二段代入 (b) 的 k=5/4k=5/4 后计算。

答题过程

展开

Using k=5/4k=5/4,

 E(X) =∫−1/21/2x4 dx +∫1/25/4(2x2 −34x) dx.\begin{align*} &\,E(X)\\ &\,=\int_{-1/2}^{1/2}\frac{x}{4}\,\mathrm{d}x\\ &\,\hspace{2pt}+\int_{1/2}^{5/4}\Big(2x^2\\ &\,\hspace{12pt}-\frac34x\Big)\,\mathrm{d}x. \end{align*}

The first integral is zero by symmetry. Therefore,

 E(X) =[23x3−38x2]1/25/4.\begin{align*} &\,E(X)\\ &\,=\Big[\frac23x^3-\frac38x^2\Big]_{1/2}^{5/4}. \end{align*}

The upper endpoint value is

 23(54)3 −38(54)2 =12596−75128 =275384.\begin{align*} &\,\frac23\Big(\frac54\Big)^3\\ &\,\hspace{2pt}-\frac38\Big(\frac54\Big)^2\\ &\,=\frac{125}{96}-\frac{75}{128}\\ &\,=\frac{275}{384}. \end{align*}

The lower endpoint value is

 23(12)3 −38(12)2 =112−332 =−196.\begin{align*} &\,\frac23\Big(\frac12\Big)^3\\ &\,\hspace{2pt}-\frac38\Big(\frac12\Big)^2\\ &\,=\frac1{12}-\frac3{32}\\ &\,=-\frac1{96}. \end{align*}

Therefore,

 E(X)=275384−(−196) =279384 =93128.\begin{align*} &\,E(X)=\frac{275}{384}-\Big(-\frac1{96}\Big)\\ &\,=\frac{279}{384}\\ &\,=\boxed{\frac{93}{128}}. \end{align*}

(d)

解法一

思路

展开

从 −1/2-1/2 到 1/21/2 的面积恰为 1/41/4,所以第一四分位数是 Q1=1/2Q_1=1/2。第三四分位数位于密度函数的第二段;从 1/21/2 到 Q3Q_3 的面积应为 3/4−1/4=1/23/4-1/4=1/2。建立积分方程,解出符合区间范围的根,再计算 Q3−Q1Q_3-Q_1。

答题过程

展开

The area from −1/2-1/2 to 1/21/2 is

1×14=14,1\times\frac14=\frac14,

so

Q1=12.Q_1=\frac12.

For the upper quartile,

∫1/2Q3(2x−34) dx=12.\int_{1/2}^{Q_3}\Big(2x-\frac34\Big)\,\mathrm{d}x =\frac12.

Thus,

 [x2−34x]1/2Q3=12, Q32−34Q3+18=12, Q32−34Q3−38=0.\begin{align*} &\,\Big[x^2-\frac34x\Big]_{1/2}^{Q_3}=\frac12,\\ &\,Q_3^2-\frac34Q_3+\frac18=\frac12,\\ &\,Q_3^2-\frac34Q_3-\frac38=0. \end{align*}

Solving,

Q3=3±338.Q_3=\frac{3\pm\sqrt{33}}8.

Since Q3Q_3 must lie in [1/2,5/4][1/2,5/4],

Q3= 3+338= 1.09307…\begin{align*} Q_3=&\,\frac{3+\sqrt{33}}8\\ =&\,1.09307\ldots \end{align*}

Therefore,

 IQR⁡=Q3−Q1 =3+338−12 =33−18 =0.59307…\begin{align*} &\,\operatorname{IQR}=Q_3-Q_1\\ &\,=\frac{3+\sqrt{33}}8-\frac12\\ &\,=\frac{\sqrt{33}-1}{8}\\ &\,=0.59307\ldots \end{align*}

Hence the interquartile range is 0.593\boxed{0.593} to 3 significant figures.