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人教A版普通高中数学一轮复习第十章第九节概率、统计与其他知识的交汇问题学案
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这是一份人教A版普通高中数学一轮复习第十章第九节概率、统计与其他知识的交汇问题学案,共17页。
2.会求概率、统计与函数的综合问题.
3.会求概率、统计与数列的综合问题.
概率、统计与不等式的综合问题
【例1】(2024·长沙模拟)甲、乙两名运动员进行乒乓球比赛,规定每局比赛胜者得1分,负者得0分,平局双方均得0分,比赛一直进行到一方比另一方多两分为止,多得两分的一方赢得比赛.已知每局比赛中,甲获胜的概率为α,乙获胜的概率为β,两人平局的概率为γ(α+β+γ=1,α>0,β>0,γ≥0),且每局比赛结果相互独立.
(1)若α=12,β=13,γ=16,求甲运动员恰好在第4局比赛后赢得比赛的概率;
(2)当γ=0时,若比赛最多进行5局,求比赛结束时比赛局数X的分布列及期望E(X)的最大值.
解:(1)记事件A为“每局比赛甲获胜”,
记事件B为“每局比赛乙获胜”,
记事件C为“每局比赛甲、乙两人平局”,
则P(A)=α=12,P(B)=β=13,P(C)=γ=16.
记“进行4局比赛后甲运动员赢得比赛”为事件D,
则事件D包括事件ABAA,B,ACCA,CACA,CCAA这5种情况,
所以P(D)=P(ABAA)+P(B)+P(ACCA)+P(CACA)+P(CCAA)
=2P(B)P(A)P(A)P(A)+3P(C)P(C)P(A)P(A)
=2×13×123+3×162×122=548.
(2)若γ=0,此时每局比赛结果仅有“甲获胜”和“乙获胜”,则α+β=1,
此时X的所有可能取值为2,4,5,
可得P(X=2)=P(AA)+P(BB)=α2+β2,
P(X=4)=P(ABAA)+P(B)+P(A)+P(BABB)=(2α3β+2αβ3)=2αβ(α2+β2),
P(X=5)=P(ABAB)+P(ABBA)+P(BABA)+P(BAAB)=α2β2+α2β2+α2β2+α2β2=4α2β2,
则X的分布列为
则E(X)=2×(α2+β2)+4×2αβ(α2+β2)+5×4α2β2=4α2β2+4αβ+2.
因为α+β=1≥2αβ,
所以αβ≤14,当且仅当α=β=12时等号成立,则αβ∈0,14,
此时E(X)=4α2β2+4αβ+2=(2αβ+1)2+1≤2×14+12+1=134,
故E(X)的最大值为134.
概率、统计与不等式有关的综合问题的解法
(1)根据概率的性质、均值、方差公式等得出关于概率p的表达式或不等式.
(2)通过不等式知识解不等式或利用基本不等式求最值.
某工厂A,B两条相互独立的生产线生产同款产品,在产量一样的情况下,通过日常监控得知,A,B生产线生产的产品为合格品的概率分别为p和2p-1(0.5≤p≤1).
(1)从A,B生产线上各抽检一件产品,若至少有一件合格品的概率不低于99.5%,求p的最小值p0;
(2)假设不合格的产品均可通过返工修复变为合格品,以(1)中确定的p0作为p的值.已知A,B生产线的不合格品返工修复后,每件产品可分别挽回损失5元和3元,若从两条生产线上各随机抽检1 000件产品,以返工修复后挽回损失的平均数为判断依据,估计哪条生产线挽回的损失较多.
解:(1)至少有一件合格品的概率为1-(1-p)[1-(2p-1)]=1-2(1-p)2.令1-2(1-p)2≥0.995,解得0.95≤p≤1.05.又0.5≤p≤1,所以0.95≤p≤1,故p的最小值p0=0.95.
(2)由(1)可知,A,B生产线上产品为合格品的概率分别为0.95和0.9,
所以A,B生产线上产品不是合格品的概率分别为0.05和0.1.
故从A生产线上抽检的1 000件产品中,不合格产品大约有1 000×0.05=50(件),返工修复后,可挽回损失50×5=250(元),
从B生产线上抽检的1 000件产品中,不合格产品大约有1 000×0.1=100(件),返工修复后,可挽回损失100×3=300(元),
因为250<300,所以B生产线挽回的损失较多.
概率、统计与函数的综合问题
【例2】(2024·济宁模拟)某校数学组老师为了解学生数学学科核心素养整体发展水平,组织本校8 000名学生进行针对性检测(检测分为初试和复试),并随机抽取了100名学生的初试成绩,绘制了频率分布直方图,如图所示.
(1)根据频率分布直方图,求样本平均数的估计值.
(2)若所有学生的初试成绩X近似服从正态分布N(μ,σ2),其中μ为样本平均数的估计值,σ≈14.初试成绩不低于90分的学生才能参加复试,试估计能参加复试的人数.
(3)复试共三道题,规定:全部答对获得一等奖,答对两道题获得二等奖,答对一道题获得三等奖,全部答错不获奖.已知某学生进入了复试,他在复试中前两道题答对的概率均为a,第三道题答对的概率为b.若他获得一等奖的概率为18,设他获得二等奖的概率为P,求P的最小值.
附:若随机变量X服从正态分布N(μ,σ2),则P(μ-σ≤X≤μ+σ)≈0.682 7,P(μ-2σ≤X≤μ+2σ)≈0.954 5,P(μ-3σ≤X≤μ+3σ)≈0.997 3.
解:(1)样本平均数的估计值为10(40×0.010+50×0.020+60×0.030+70×0.024+80×0.012+90×0.004)=62.所以样本平均数的估计值为62.
(2)因为学生的初试成绩X近似服从正态分布N(μ,σ2),其中μ=62,σ≈14.
所以μ+2σ≈62+2×14=90.
所以P(X≥90)=P(X≥μ+2σ)≈12(1-0.954 5)=0.022 75.
所以估计能参加复试的人数为0.022 75×8 000=182.
(3)由该学生获得一等奖的概率为18,可得a2b=18.
则P=a2(1-b)+a(1-a)b+(1-a)ab=a2+2ab-38=a2+14a-38.
令P=f(a)=a2+14a-38,0<a<1,则f′(a)=2a-14a2=8a3−14a2=2a−14a2+2a+14a2.
当0<a<12时,f′(a)<0;当12<a<1时,f′(a)>0.
所以f(a)在区间0,12上是单调递减,在区间12,1上是单调递增.
所以f(a)min=f12=14+12-38=38.
所以P的最小值为38.
概率、统计与函数有关的综合问题的解法
在概率与统计的问题中,决策的工具是样本的数字特征或有关概率.决策方案的最佳选择是将概率最大(最小)或均值最大(最小)的方案作为最佳方案,解题时通常先结合概率、方差、均值的公式列出函数表达式,再利用函数的性质(单调性、最值等)求解.
在2024年春节期间,甲公司和乙公司在某购物平台上同时开启了打折促销,直播带年货活动,甲公司和乙公司所售商品类似,存在竞争关系.
(1)现对某时间段100名观看直播后选择这两个公司直播间购物的情况进行调查,得到如下数据:
单位:名
是否有99.9%的把握认为选择哪家直播间购物与用户的年龄有关?
(2)若小李连续两天每天选择在甲、乙其中一个直播间进行购物,第一天等可能地从甲、乙两家中选一家直播间购物,如果第一天去甲直播间购物,那么第二天去甲直播间购物的概率为0.7;如果第一天去乙直播间购物,那么第二天去甲直播间购物的概率为0.8,求小李第二天去乙直播间购物的概率.
(3)元旦期间,甲直播间进行“秒杀”活动,假设直播间每人下单成功的概率均为p(0<p<1),每人下单成功与否互不影响,若从直播间中随机抽取5人,记5人中恰有2人下单成功的概率为f(p),求f(p)的最大值点p0.
解:(1)列联表如下:
单位:名
由表中数据可得χ2=100×40×30−20×10250×50×60×40=503>10.828,
故有99.9%的把握认为选择哪家直播间购物与用户的年龄有关.
(2)由题设,事件小李第二天去乙直播间包括第一天去甲直播间,第二天去乙直播间和第一天去乙直播间,第二天去乙直播间两种情况,
所以小李第二天去乙直播间购物的概率P=0.5×(1-0.7)+0.5×(1-0.8)=0.25.
(3)由题可设5人中下单成功的人数为X,则X~(5,p),
所以f(p)=C52p2(1-p)3=10p2(1-p)3,令g(p)=p2(1-p)3=p2-3p3+3p4-p5,
所以g′(p)=p(2-9p+12p2-5p3),
令h(p)=2-9p+12p2-5p3,
所以h′(p)=-9+24p-15p2=-15p−452+35,
所以h′(p)在0,45上单调递增,在45,1上单调递减,
又h′35=h′(1)=0,
故在0,35上,h′(p)<0,h(p)单调递减;在35,1上,h′(p)>0,h(p)单调递增;
由h25=0,h(1)=0,得在0,25上,h(p)>0,即g′(p)>0,在25,1上,h(p)<0,即g′(p)<0,所以g(p)在0,25上单调递增,在25,1上单调递减,即f(p)在0,25上单调递增,在25,1上单调递减,所以f(p)max=f25,即p0=25.
概率、统计与数列的综合问题
【例3】(2024·大连模拟)国学小组有编号为1,2,3,…,n的n位同学,现在有两个选择题,每人答对第一题的概率为23,答对第二题的概率为12,每个同学的答题过程都是相互独立的,比赛规则如下:①按编号由小到大的顺序依次进行,第1号同学开始第1轮出赛,先答第一题;②若第i(i=1,2,3,…,n-1)号同学未答对第一题,则第i轮比赛失败,由第i+1号同学继续比赛;③若第i(i=1,2,3,…,n-1)号同学答对第一题,则再答第二题,若该生答对第二题,则比赛在第i轮结束;若该生未答对第二题,则第i轮比赛失败,由第i+1号同学继续答第二题,且以后比赛的同学不答第一题;④若比赛进行到了第n轮,则不管第n号同学答题正确与否,比赛结束.
(1)令随机变量Xn表示n名同学在第Xn轮比赛结束,当n=3时,求随机变量X3的分布列.
(2)若把比赛规则③改为:若第i(i=1,2,3,…,n-1)号同学未答对第二题,则第i轮比赛失败,第i+1号同学重新从第一题开始作答.令随机变量Yn表示n名同学在第Yn轮比赛结束.
①求随机变量Yn(n∈N*,n≥2)的分布列;
②证明:E(Yn)单调递增,且小于3.
(1)解:根据题意可知X3的所有可能取值为1,2,3,
又P(X3=1)=23×12=13,
P(X3=2)=23×12×12+13×23×12=518,P(X3=3)=1-13-518=718,
所以X3的分布列为
(2)①解:根据题意知Yn=1,2,…,n,
每位同学两题都答对的概率为p=23×12=13,
所以答题失败的概率均为1-23×12=23,
所以Yn=k(1≤k≤n-1,k∈N*)时,P(Yn=k)=23k-1×13;
当Yn=n时,P(Yn=n)=23n-1,
所以Yn的分布列为
②证明:由①知E(Yn)=23k-1×13+n23n-1(n∈N*,n≥2),
E(Yn+1)-E(Yn)=n23n-1×13+(n+1)23n-n23n-1=23n>0,
故E(Yn)单调递增;
由上得E(Y2)=53,
故E(Yn)=E(Y2)+[E(Y3)-E(Y2)]+[E(Y4)-E(Y3)]+…+[E(Yn)-E(Yn-1)],
所以E(Yn)=53+232+233+…+23n-1=53+23 21−23 n−21−23=3-2×23n-1<3,
故E(Y2)<E(Y3)<E(Y4)<E(Y5)<…<E(Yn)<3.
概率、统计与数列有关的综合问题的解法
一是认真审题,判断随机变量的所有可能取值,并注意相互独立事件的概率与互斥事件的概率的区别,求出随机变量取各个值时的概率,从而列出随机变量的分布列;二是将概率的参数表达式与数列的递推式相结合,可得数列的通项公式,此种解法新颖独特.
(2024·威海模拟)全民健身是全体人民增强体魄、健康生活的基础和保障,为了研究杭州市民健身的情况,某调研小组随机抽取了100名市民进行调研,得到如下数据:
(1)如果认为每周健身4次及以上为“喜欢健身”,请列出2×2列联表,并根据小概率值α=0.05的独立性检验,判断喜欢健身与性别是否有关联.
(2)假设杭州市民小红第一次去健身房A健身的概率为211,去健身房B健身的概率为911,从第二次起,若前一次去健身房A,则此次不去A的概率为14;若前一次去健身房B,则此次仍不去A的概率为13.记第n次去健身房A健身的概率为Pn,则第10次去哪一个健身房健身的概率更大?
附:χ2=nad−bc2a+bc+da+cb+d.
解:(1)依题意,2×2列联表如下:
单位:人
零假设为H0:喜欢健身与性别无关.根据列联表中的数据,经计算得到χ2=100×35×20−30×15250×50×65×30≈1.099<3.841=x0.05,根据小概率值α=0.05的独立性检验,没有充分证据推断H0不成立,因此也可以认为H0成立,即认为喜欢健身与性别无关.
(2)依题意,P1=211,当n≥2时,Pn=Pn-1×34+(1-Pn-1)×23=112Pn-1+23,
则Pn-811=112Pn−1−811,
所以数列Pn−811 是首项为P1-811=211-811=-611,公比为112的等比数列,
所以Pn-811=-611×112n−1,Pn=811-611×112n−1,
所以P10=811-611×1129≈811>1−811=311,
所以第10次去A健身房健身的概率更大.
课时质量评价(六十九)
1.(2024·烟台模拟)某篮球队为提高队员训练的积极性,进行小组投篮游戏;每个小组由两名队员组成,队员甲与队员乙组成一个小组.游戏规则如下:每个小组的两名队员在每轮游戏中分别投篮两次,每小组投进的次数之和不少于3次的称为“神投小组”.已知甲、乙两名队员投进篮球的概率分别为p1,p2.
(1)若p1=12,p2=23,求他们在第一轮游戏获得“神投小组”称号的概率.
(2)已知p1+p2=65,则:
①p1,p2取何值时能使得甲、乙两名队员在一轮游戏中获得“神投小组”称号的概率最大?并求出此时的最大概率.
②在第①问的前提下,若甲、乙两名队员想要获得297次“神投小组”的称号,则他们平均要进行多少轮游戏?
解:(1)每小组投进的次数之和不少于3次的称为“神投小组”,
则可能的情况有:①甲投中一次,乙投中两次;②甲投中两次,乙投中一次;③甲投中两次,乙投中两次.
因为p1=12,p2=23,
所以他们在第一轮游戏获得“神投小组”称号的概率为C21·122×232+122×C21×23×13+122×232=49.
(2)①由题意得他们在一轮游戏中获得“神投小组”称号的概率P=C21×p1×1−p1×p22+p12×C21×p2×1−p2+p12×p22=2p1p2p1+p2−3p12p22,
因为p1+p2=65,所以P=125p1p2−3p12p22,
又0≤p1≤1,0≤p2≤1,则15≤p1≤1,
令m=p1p2=−p12+65p1=-p1−35 2+925,
则m∈15,925,
令P=f(m)=125m-3m2=-3m−252+1225,
所以f(m)=125m-3m2在15,925上单调递增,则Pmax=f925=297625,此时p1=p2=35.
②他们小组在n轮游戏中获得“神投小组”称号的次数ξ满足ξ~Bn,297625,
所以np=297,则n=297297625=625,
所以平均要进行625轮游戏.
2.某公司在一种传染病毒的检测试剂品上加大了研发投入,其研发的检验试剂品α分为两类不同剂型α1和α2.现对其进行两次检测,第一次检测时两类试剂α1和α2合格的概率分别为34和35,第二次检测时两类试剂α1和α2合格的概率分别为45和23.已知两次检测过程相互独立,两次检测均合格,试剂品α才算合格.
(1)设经过两次检测后两类试剂α1和α2合格的种类数为X,求X的分布列和数学期望;
(2)若地区排查期间,一户4口之家被确认为“与确诊患者的密切接触者”,这种情况下医护人员要对其家庭成员逐一使用试剂品α进行检测,如果有一人检测呈阳性,则检测结束,并确定该家庭为“感染高危户”.设该家庭每个成员检测呈阳性的概率均为p(0<p<1)且相互独立,该家庭至少检测了3个人才确定为“感染高危户”的概率为f(p),若当p=p0时,f(p)最大,求p0的值.
解:(1)试剂α1合格的概率为34×45=35,
试剂α2合格的概率为35×23=25.
由题意知X的所有可能取值为0,1,2.
则P(X=0)=1−35×1−25=625,P(X=1)=1−35×25+35×1−25=1325,P(X=2)=35×25=625,则X的分布列为
数学期望E(X)=0×625+1×1325+2×625=1.
(2)检测3人确定“感染高危户”的概率为(1-p)2p,
检测4人确定“感染高危户”的概率为(1-p)3p,
则f(p)=(1-p)2p+(1-p)3p=(1-p)2p(2-p).
令x=1-p,因为0<p<1,所以0<x<1,
原函数可化为g(x)=x2(1-x2)(0<x<1).
因为x2(1-x2)≤x2+1−x224=14,
当且仅当x2=1-x2,即x=22时,等号成立.
此时p=1-22,所以p0=1-22.
3.(2024·济南模拟)某市为提升中学生的环境保护意识,举办了一次“环境保护知识竞赛”,分预赛和复赛两个环节,预赛成绩排名前三百名的学生参加复赛.已知共有12 000名学生参加了预赛,现从参加预赛的全体学生中随机地抽取100人的预赛成绩作为样本,得到如图所示的频率分布直方图.
(1)规定预赛成绩不低于80分为优良,若从上述样本中预赛成绩不低于60分的学生中随机地抽取2人,求至少有1人预赛成绩优良的概率,并求预赛成绩优良的人数的数学期望.
(2)由频率分布直方图可认为该市全体参加预赛学生的预赛成绩Z服从正态分布N(μ,σ2),其中μ可近似为样本中的100名学生预赛成绩的平均值(同一组数据用该组区间的中点值代替),且σ2=362,已知小明的预赛成绩为91分,利用该正态分布,估计小明是否有资格参加复赛?
(3)复赛规则如下:①每人的复赛初始分均为100分;②参赛学生可在开始答题前自行决定答题数量n,每一题都需要“花”掉(即减去)一定分数来获取答题资格,规定答第k题时“花”掉的分数为0.2k(k=1,2,…,n);③每答对一题加2分,答错既不加分也不减分;④答完n题后参赛学生的最终分数即为复赛成绩.已知参加复赛的学生甲答对每道题的概率均为0.8,且每题答对与否都相互独立.若学生甲期望获得最佳的复赛成绩,则他的答题数量n应为多少?
附:若Z~N(μ,σ2),则P(μ-σ≤Z≤μ+σ)≈0.682 7,P(μ-2σ≤Z≤μ+2σ)≈0.954 5,P(μ-3σ≤Z≤μ+3σ)≈0.997 3;362≈19.
解:(1)预赛成绩在[60,80)范围内的样本量为0.012 5×20×100=25,
预赛成绩在[80,100)范围内的样本量为0.007 5×20×100=15,
设抽取的2人中预赛成绩优良的人数为X,则X的可能取值为0,1,2,
则P(X≥1)=C151C25+1C152C402=813,
又P(X=0)=C252C402=513,P(X=1)=C151C251C402=2552,P(X=2)=C152C402=752,则X的分布列为
故E(X)=0×513+1×2552+2×752=34.
(2)μ=x=(10×0.005+30×0.01+50×0.015+70×0.012 5+90×0.007 5)×20=53,
σ2=362,则σ≈19,所以Z~N(53,362),
故P(Z≥91)=P(Z≥μ+2σ)=12[1-P(μ-2σ<Z<μ+2σ)]≈0.022 75,
故全市参加预赛的学生中,成绩不低于91分的有120 000×0.022 75=273(人),
因为273<300,故小明有资格参加复赛.
(3)设学生甲答对的题目数为ξ,复赛成绩为Y,则ξ~B(n,0.8),故E(ξ)=0.8n,
Y=100-0.2(1+2+3+…+n)+2ξ,
故E(Y)=100-0.2(1+2+3+…+n)+2E(ξ)=-110n2+3n2+100=-110n−1522+8458.
因为n∈N*,所以答题数量为7或8时,学生甲可获得最佳的复赛成绩.
4.老年公寓是一种能够满足老年人的高质量、多样化、专业化生活及疗养需求.某老年公寓负责人为了能给老年人提供更加良好的服务,现对所入住的120名老年人征集意见,该公寓老年人的入住房间类型情况如下表所示.
(1)若按入住房间的类型采用分层随机抽样的方法从这120名老年人中随机抽取10人,再从这10人中随机抽取4人进行询问,记随机抽取的4人中入住单人间的人数为ξ,求ξ的分布列和数学期望.
(2)记双人间与三人间为多人间,若在征集意见时要求把入住单人间的2人和入住多人间的m(m>2且m∈N*)人组成一组,负责人从某组中任选2人进行询问,若选出的2人入住房间类型相同,则该组标为Ⅰ,否则该组标为Ⅱ.记询问的某组被标为Ⅱ的概率为p.
①试用含m的代数式表示p;
②若一共询问了5组,用g(p)表示恰有3组被标为Ⅱ的概率,试求g(p)的最大值及此时m的值.
解:(1)因为单人间、双人间、三人间入住人数比为36∶60∶24,即3∶5∶2,
所以这10人中,入住单人间、双人间、三人间的人数分别为10×310=3,10×510=5,10×210=2,
所以ξ的所有可能取值为0,1,2,3,
P(ξ=0)=C74C104=16,P(ξ=1)=C31C73C104=12,
P(ξ=2)=C32C72C102=310,P(ξ=3)=C33C71C104=130,
所以ξ的分布列为
E(ξ)=0×16+1×12+2×310+3×130=65.
(2)①从m+2人中任选2人,有Cm+22种选法,其中入住房间类型相同的有Cm2+C22种选法,
所以询问的某组被标为Ⅱ的概率为p=1-Cm2+C22Cm+22=1-m2−m+2m2+3m+2=4mm2+3m+2.
②由题意,5组中恰有3组被标为Ⅱ的概率g(p)=C53p3(1-p)2=10p3(1-2p+p2)=10(p3-2p4+p5),
所以g′(p)=10(3p2-8p3+5p4)=10p2(p-1)·(5p-3),
所以当p∈0,35时,g′(p)>0,g(p)单调递增,
当p∈35,1时,g′(p)<0,g(p)单调递减,
所以当p=35时,g(p)取得最大值,最大值为g35=C53×353×1−352=216625.
由p=4mm2+3m+2=35,且m∈N*,得m=3.
所以当m=3时,5组中恰有3组被标为Ⅱ的概率最大,且g(p)的最大值为216625.
X
2
4
5
P
α2+β2
2αβ(α2+β2)
4α2β2
用户年龄段
购物所选直播间
合计
甲直播间
乙直播间
19~24岁
40
10
50
25~34岁
20
30
50
合计
60
40
100
用户年龄段
购物所选直播间
合计
甲直播间
乙直播间
19~24岁
40
10
50
25~34岁
20
30
50
合计
60
40
100
X3
1
2
3
P
13
518
718
Yn
1
2
3
…
n-1
n
P
13
23×13
232×13
…
23n-2×13
23n-1
每周健
身次数
1次
2次
3次
4次
5次
6次及6次以上
男
4
6
5
3
4
28
女
7
5
8
7
6
17
α
0.10
0.05
0.01
0.005
0.001
xα
2.706
3.841
6.635
7.879
10.828
性别
是否喜欢健身
合计
喜欢
不喜欢
男
35
15
50
女
30
20
50
合计
65
35
100
X
0
1
2
P
625
1325
625
X
0
1
2
P
513
2552
752
入住房间的类型
单人间
双人间
三人间
人数
36
60
24
ξ
0
1
2
3
P
16
12
310
130
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