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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2022 June S3 Q4

A Level / Edexcel / S3

IAL 2022 June Paper · Question 4

题目

Problem

Navtej travels to work by train. A train leaves the station every 7 minutes and Navtej’s arrival at the station is independent of when the train is due to leave.

(a) Write down a suitable model for the distribution of the time, T minutes, that he has to wait for a train to leave.

(1)

(b) Find the mean and standard deviation of T

(3)

During a 10-week period, Navtej travels to work by train on 46 occasions.

(c) Estimate the probability that the mean length of time that he has to wait for a train to leave is between 3.4 and 3.6 minutes.

(5)

(d) State a necessary assumption for the calculation in part (c).

(1)
(Total for Question 4 is 10 marks)
题目中文翻译

Navtej 乘火车上班。火车每 7 分钟发出一班,而 Navtej 到站的时间与火车预定出发时间无关。

(a) 写出等待火车出发的时间 T(分钟)的一个合适分布模型。

(b) 求 T 的均值和标准差。

在 10 周期间,Navtej 共乘火车上班 46 次。

(c) 估计他等待火车出发的平均时间介于 3.4 到 3.6 分钟之间的概率。

(d) 写出 (c) 小题计算所需的一个必要假设。

解答

(a)

解法一

思路

展开

火车每隔 77 分钟开出一班,而到站时刻与发车时刻无关,因此在任意一个 77 分钟间隔内,等待时间没有哪个取值更可能出现。故用区间 [0,7][0,7] 上的连续均匀分布建模。

答题过程

展开 TU(0,7).\boxed{T\sim U(0,7)}.

(b)

解法一

思路

展开

对连续均匀分布 U(a,b)U(a,b),均值为 a+b2\frac{a+b}{2},方差为 (ba)212\frac{(b-a)^2}{12}。题目要求标准差,因此要对方差开平方。

答题过程

展开

For TU(0,7)T\sim U(0,7),

E(T)=0+72=3.5.E(T)=\frac{0+7}{2}=\boxed{3.5}.

Also,

Var(T)=(70)212=4912.\begin{align*} \operatorname{Var}(T) =&\,\frac{(7-0)^2}{12}\\ =&\,\frac{49}{12}. \end{align*}

Therefore, the standard deviation is

sd(T)=4912=712=2.02072.02 minutes.\begin{align*} \operatorname{sd}(T) =&\,\sqrt{\frac{49}{12}}\\ =&\,\frac{7}{\sqrt{12}}\\ =&\,2.0207\ldots\\ \approx&\,\boxed{2.02}\text{ minutes}. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

这里研究的是 4646 次等待时间的样本均值。由中心极限定理,样本量较大时,Tˉ\bar T 近似服从正态分布;其均值仍为 3.53.5,方差则是单次等待时间方差的 146\frac{1}{46}。随后把区间两端标准化并计算中央概率。

答题过程

展开

By the central limit theorem,

Tˉ˙N(3.5,4912(46))=N(3.5,49552).\bar{T}\mathrel{\dot\sim} N\bigg(3.5,\frac{49}{12(46)}\bigg) =N\bigg(3.5,\frac{49}{552}\bigg).

The standard deviation of Tˉ\bar T is

49552=0.2979\sqrt{\frac{49}{552}}=0.2979\ldots

Therefore,

P(3.4<Tˉ<3.6)=P(3.43.549/552<Z<3.63.549/552)=P(0.3356<Z<0.3356)=0.26280.263.\begin{align*} P(3.4<\bar T<3.6) =&\,P\bigg( \frac{3.4-3.5}{\sqrt{49/552}}<Z\\ &\,\hspace{18pt}< \frac{3.6-3.5}{\sqrt{49/552}} \bigg)\\ =&\,P(-0.3356\ldots<Z<0.3356\ldots)\\ =&\,0.2628\ldots\\ \approx&\,\boxed{0.263}. \end{align*}

(d)

解法一

思路

展开

中心极限定理用于样本均值时,需要各次观测可以看作彼此独立、来自同一分布。写出其中一个必要假设即可;这里采用最直接的独立性假设。

答题过程

展开

The waiting times on the 46 occasions are assumed to be independent.