浙江 2010 · 数学 q19

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2010 · 数学 q19 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

(19)(本题满分 14 分)如图,一个小球从 MM 处投入,通过管道自上面下落到 AA 或 BB 或 CC,已知小球从每个叉口落入左右两个管道的可能性是相等的。某商家按上述投球方式进行促销活动,若投入的小球落到 AA,BB,CC,则分别设为 1,2,3 等奖.

(I) 已知获得 1,2,3 等奖的折扣率分别为 50%50\%,70%70\%,90%90\%,记随机变量 ξ\xi 为获得 k(k=1,2,3)k(k=1,2,3) 等奖的折扣率,求随机变量 ξ\xi 的分布列及数学期望 EξE\xi.

(Ⅱ)若有 3 人次(投入 1 球为 1 人次)参加促销活动,记随机变量 η\eta 为获得 1 等奖或 2 等奖的人次,求 P(η=2)P(\eta = 2).

答案

(I)ξ\xi 取 50%50\%,70%70\%,90%90\%,概率依次为 316\frac{3}{16},38\frac{3}{8},716\frac{7}{16},Eξ=34E\xi = \frac{3}{4};(Ⅱ)P(η=2)=17014096P(\eta = 2) = \frac{1701}{4096}.

本题的知识树

6 概念 · 2 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 2 易错点 · 最深 3 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

官方解析没写的那一步——三个出口的概率是从管道图上一层层灌出来的 · 最终答案:(I)ξ\xi 取 50%50\%,70%70\%,90%90\%,概率依次为 316\frac{3}{16},38\frac{3}{8},716\frac{7}{16},Eξ=34E\xi = \frac{3}{4};(Ⅱ)P(η=2)=17014096P(\eta = 2) = \frac{1701}{4096}.

冷启动:这道题最难的一步,官方解析一个字都没写

翻开官方解析,第 (I) 问是这样开头的:

(Ⅰ) 解:由题意得 ξ\xi 的分布列为 ……

然后直接印出三个概率 316\dfrac{3}{16}、38\dfrac{3}{8}、716\dfrac{7}{16}。它们从哪来?没有一行推导。

可这三个数就是这道题的全部难点。拿到它们之后,EξE\xi 是一次加权平均、第 (II) 问是一个课本公式, 初学者两分钟能做完;拿不到它们,后面全是空的。所以这篇攻略把力气全花在前半段: 怎么从那张绕来绕去的管道图里,把三个出口的概率一个一个算出来。

题面只给了一句话可用:

已知小球从每个叉口落入左右两个管道的可能性是相等的。

一句话,两条规则:

  • 过一个叉口,手里的概率对半分给左右两支——因为左右等可能;
  • 两条管子汇到一起,概率相加——因为「从这条来」与「从那条来」是两件不会同时发生的事。

原卷那张图上一共有 55 个叉口、33 个汇合口,管子来回穿插,肉眼很难看出「哪两条最后汇到了一起」。 下面这张教学图把它重画成节点和箭头——形状变了,连法一条没变:

上下两块的教学图。上块是一张有向图,标题「① 把管道图拆成带权的有向图:叉口除以 2,汇合口相加」。最上方一个黑点标「M」,向下一条短箭头指到一个灰点,灰字标「叉口」;从这个灰点分出左右两条深蓝色箭头,分别指向左侧和右侧的灰点(两个灰点也各标「叉口」),两条边各标「\frac{1}{2}」。左侧那个叉口再分出两条深蓝色箭头:一条向左下指到一个灰点(标「汇合」),边标「\frac{1}{4}」;一条向右下指到正中间的灰点(标「汇合后再叉」),边也标「\frac{1}{4}」。右侧那个叉口同样分出两条深蓝色箭头:一条向左下指到一个灰点(标「叉口」),边标「\frac{1}{4}」;一条向下指到右侧的灰点(标「汇合」),边标「\frac{1}{4}」。中间偏右那个叉口分出两条亮蓝色箭头:一条向左下指到正中间的「汇合后再叉」,边标「\frac{1}{8}」;一条向右下指到右侧的「汇合」,边也标「\frac{1}{8}」。正中间的「汇合后再叉」再分出两条绿色箭头:一条向左指到左侧的「汇合」,边标「\frac{3}{16}」;一条向右下指到一个绿色圆点,边标「\frac{3}{16}」。三条绿色箭头落到三个绿色圆点上:左侧的「汇合」向下指到标「C」的绿点,边标「\frac{7}{16}」;中间那条落到标「A」的绿点;右侧的「汇合」向下指到标「B」的绿点,边标「\frac{3}{8}」。三个绿点下方分别用绿字写「3 等奖 \frac{7}{16}」「1 等奖 \frac{3}{16}」「2 等奖 \frac{3}{8}」。上块最下面一行灰字写「叉口:手里的概率对半分;汇合口:两条管子的概率相加」。下块是一块文字面板,标题「② 两问:分布列与 E\xi;合成一个成功事件后是二项分布」,各行依次是「(I) \xi 只取三个值——50\%、70\%、90\%,概率就是三个出口的概率:」「P\left(\xi=50\%\right)=\frac{3}{16},P\left(\xi=70\%\right)=\frac{3}{8},P\left(\xi=90\%\right)=\frac{7}{16}(和 =1,可当自查)」「E\xi=\frac{3}{16}\times50\%+\frac{3}{8}\times70\%+\frac{7}{16}\times90\%=\frac{3}{4}」(这一行是绿色)「(II) 把「1 或 2 等奖」并成一次成功:p=\frac{3}{16}+\frac{3}{8}=\frac{9}{16};3 人次互不影响 \Rightarrow\ \eta\sim B\left(3,\frac{9}{16}\right)」「P(\eta=2)=\mathrm{C}_{3}^{2}\left(\frac{9}{16}\right)^{2}\left(\frac{7}{16}\right)=\frac{1701}{4096}」(这一行是绿色);其下两行灰字写「A、B 互斥才能直接相加;三人次独立重复才能用二项分布——两个前提都要点到」「图 ① 里中间那条是 \frac{1}{4}+\frac{1}{8}=\frac{3}{8} 汇合后再叉一次,才分出两个 \frac{3}{16}」;最后一行绿字写「E\xi=\frac{3}{4};P(\eta=2)=\frac{1701}{4096}」。

先把一个看起来很省事的错法掐死。 从 MM 到 CC 一共有 33 条通路,到 BB 有 22 条,到 AA 有 22 条。 于是有人写 P(C)=37P(C)=\dfrac{3}{7}、P(B)=P(A)=27P(B)=P(A)=\dfrac{2}{7}——三个数没有一个是对的(易错点「按路径条数当成等可能」)。 原因很简单:这些通路长短不一,有的只过 22 个叉口,有的要过 44 个, 过 22 个叉口的那条路概率是 14\dfrac14,过 44 个的只有 116\dfrac1{16},相差 44 倍,凭什么按条数平摊? 注意错法算出来的三个数加起来也是 11——「概率和为 11」这条自查查不出它。

顺带说一句它和课本上高尔顿板的区别。 课本里小球每碰一次木钉都等可能左右落下, 最后落入的格号服从二项分布——那是因为每条路都恰好碰同样多次木钉、且格号只由「向右几次」决定。 本题的管子并不对称(有的支路多叉一次,还有「汇合之后再叉」), 所以第 (I) 问那三个概率不是二项分布;真正的二项分布要等到第 (II) 问, 那里是 33 个人次各自独立地玩一次,才凑齐了「重复、独立、每次成功率相同」三个条件。

解法一:顺着管子往下灌——每个叉口除以 22,每个汇合口相加

怎么想到的。 一个球从 MM 出发,它「走到某根管子里」的概率是多少? 把这个数写在管子上,然后顺着水流往下推——这就是套路「按层把概率推到下一层」: 给每个节点记一个数(走到这里的概率),从 MM 的 11 开始,一层一层往下算,每个节点只算一次。

第一层。 MM 手里是 11,第一个叉口把它对半分:

左支=12,右支=12.\text{左支}=\frac12,\qquad \text{右支}=\frac12 .

第二层。 左右两支各自再叉一次,各把手里的 12\dfrac12 对半分,四条管子各得 14\dfrac14:

  • 左支的外侧那条,一路向左,直奔 CC:14\dfrac14;
  • 左支的内侧那条,折回中间:14\dfrac14;
  • 右支的内侧那条:14\dfrac14(它下面还有一个叉口);
  • 右支的外侧那条,一路向右,直奔 BB:14\dfrac14。

第三层:右内侧那条再叉一次。 它手里的 14\dfrac14 再对半分:

去中间=18,去 B=18.\text{去中间}=\frac18,\qquad \text{去 }B=\frac18 .

第四层:中间那个汇合口。 左支内侧的 14\dfrac14 与右内侧分来的 18\dfrac18 在这里汇到一起, 两条边相加:

14+18=38.\frac14+\frac18=\frac38 .

第五层:汇合之后还要再叉一次。 这是整张图最容易看漏的一步——中间那条粗管子往下并没有直接进洞, 它又分成了左右两支,各得一半:

38÷2=316(左支汇进 C),38÷2=316(右支就是 A).\frac38\div 2=\frac{3}{16}\quad(\text{左支汇进 }C),\qquad \frac38\div 2=\frac{3}{16}\quad(\text{右支就是 }A) .

收网:三个出口各自把汇进来的边加起来。

P(C)=14⏟左外侧直达+316⏟中间分来=416+316=716,P(C)=\underbrace{\frac14}_{\text{左外侧直达}}+\underbrace{\frac{3}{16}}_{\text{中间分来}}=\frac{4}{16}+\frac{3}{16}=\frac{7}{16}, P(B)=14⏟右外侧直达+18⏟右内侧分来=28+18=38,P(A)=316.P(B)=\underbrace{\frac14}_{\text{右外侧直达}}+\underbrace{\frac18}_{\text{右内侧分来}}=\frac{2}{8}+\frac18=\frac38, \qquad P(A)=\frac{3}{16} .

自查(免费的一步):716+38+316=7+6+316=1\dfrac{7}{16}+\dfrac38+\dfrac3{16}=\dfrac{7+6+3}{16}=1 ✓。

但要知道这条自查的边界:它只查「有没有把某条边的概率算丢」,查不出「把某个叉口看漏了」—— 比如把第五层那次分叉看漏、让中间那条 38\dfrac38 整根进 AA,得到的 P(A)=38P(A)=\dfrac38、P(B)=38P(B)=\dfrac38、P(C)=14P(C)=\dfrac14 照样加起来是 11,这条自查一声不吭。

真正能兜住读图的是后面那个 EξE\xi:命题人把折扣率取成 50%,70%,90%50\%,70\%,90\%,配上这三个概率, 期望恰好是 34\dfrac34 这样一个干净的数——这种整齐是设计出来的。 按上面那个读漏一个叉口的版本算,期望立刻变成 0.6750.675 这样的零碎值。 所以:看图算完,一定要回头看一眼期望好不好看。

第 (I) 问。 落到 AA、BB、CC 分别是 11、22、33 等奖,折扣率依次是 50%50\%、70%70\%、90%90\%, 所以 ξ\xi 的分布列就是把上面三个概率换个名字:

ξ\xi50%50\%70%70\%90%90\%
PP316\dfrac{3}{16}38\dfrac{3}{8}716\dfrac{7}{16}

(注意对应关系别错位:50%50\% 是 11 等奖,对应的是出口 AA 的 316\dfrac3{16},不是最大的那个数。)

按定义加权平均:

Eξ=316×12+38×710+716×910=15160+42160+63160=120160=34.E\xi=\frac{3}{16}\times\frac12+\frac38\times\frac7{10}+\frac7{16}\times\frac9{10} =\frac{15}{160}+\frac{42}{160}+\frac{63}{160}=\frac{120}{160}=\frac34 .

第 (II) 问:把两个奖并成一个「成功」。 η\eta 数的是「11 等奖或 22 等奖」的人次, 所以一次抽奖只要分成「成功 / 不成功」两类就够了。AA 与 BB 是两个互斥的结果,概率直接相加:

p=P(A)+P(B)=316+38=916.p=P(A)+P(B)=\frac3{16}+\frac38=\frac{9}{16} .

33 个人次各投一球,互不影响,每次成功率都是这个 pp——三个条件齐了,η∼B(3,916)\eta\sim B\left(3,\dfrac9{16}\right):

P(η=2)=C32(916)2(1−916)=3×81256×716=17014096.P(\eta=2)=\mathrm{C}_{3}^{2}\left(\frac9{16}\right)^{2}\left(1-\frac9{16}\right) =3\times\frac{81}{256}\times\frac{7}{16}=\frac{1701}{4096} .

「恰好 22 人次」不是「至少 22 人次」(易错点「恰好几个当成至少几个」): η=3\eta=3 那一项 (916)3=7294096\left(\dfrac9{16}\right)^{3}=\dfrac{729}{4096} 不能算进来; 若题目问的是「至少 22 人次」,答案才是 1701+7294096=12152048\dfrac{1701+729}{4096}=\dfrac{1215}{2048}。

解法二:逐条数通路——一条路过几个叉口,它的概率就是 (12)\left(\frac{1}{2}\right) 的几次方

怎么想到的。 小球最终落到 CC,可能是走这条路来的,也可能是走那条路来的—— 不同的路是互斥的,概率相加(分类加法计数原理的概率版); 而一条路要接连通过好几个叉口,每个叉口都得「恰好拐对」,概率相乘(分步乘法计数原理的概率版)。 于是只要把每条通路列出来,各算一个 (12)m\left(\dfrac12\right)^{m}(mm 是这条路经过的叉口数),再相加。

落到 CC 的通路有三条:

通路经过的叉口数 mm概率 (12)m\left(\frac12\right)^{m}
第一个叉口向左 → 左叉口再向外侧,直达 CC2214\dfrac14
第一个叉口向左 → 左叉口向内侧 → 中间那个叉口向左3318\dfrac18
第一个叉口向右 → 右叉口向内侧 → 再叉一次向中间 → 中间那个叉口向左44116\dfrac1{16}
P(C)=14+18+116=4+2+116=716.P(C)=\frac14+\frac18+\frac1{16}=\frac{4+2+1}{16}=\frac{7}{16} .

落到 AA 的通路有两条(都必须先汇到中间那条管子,再从那个叉口向右):

P(A)=18⏟m=3+116⏟m=4=2+116=316.P(A)=\underbrace{\frac18}_{m=3}+\underbrace{\frac1{16}}_{m=4}=\frac{2+1}{16}=\frac{3}{16} .

落到 BB 的通路有两条:

P(B)=14⏟m=2: 右→外侧+18⏟m=3: 右→内侧→再叉向右=2+18=38.P(B)=\underbrace{\frac14}_{m=2:\ \text{右}\to\text{外侧}}+\underbrace{\frac18}_{m=3:\ \text{右}\to\text{内侧}\to\text{再叉向右}}=\frac{2+1}{8}=\frac38 .

三个数与解法一逐位相同,且 716+316+38=1\dfrac7{16}+\dfrac3{16}+\dfrac38=1 ✓—— 这里的「和为 11」比解法一那次有力:∑(12)m=1\sum\left(\frac12\right)^{m}=1 要求通路一条不漏、一条不重, 所以它同时查了「有没有数漏一条路」。

第 (I) 问照旧收尾:ξ=50%,70%,90%\xi=50\%,70\%,90\% 分别对应出口 A,B,CA,B,C,概率 316,38,716\dfrac3{16},\dfrac38,\dfrac7{16},

Eξ=316×12+38×710+716×910=34.E\xi=\frac3{16}\times\frac12+\frac38\times\frac7{10}+\frac7{16}\times\frac9{10}=\frac34 .

顺便看清了前面那个错法错在哪:CC 的三条路的权重是 4:2:14:2:1 而不是 1:1:11:1:1, 按条数平摊等于把这三条路当成一样重。

第 (II) 问也可以不背公式。 记第 ii 个人次成功为 SiS_i(概率 p=916p=\dfrac9{16}),失败为 FiF_i(概率 716\dfrac7{16})。 「恰好 22 次成功」这件事,按哪一次失败分成三类,彼此互斥:

S1S2F3,S1F2S3,F1S2S3.S_1S_2F_3,\qquad S_1F_2S_3,\qquad F_1S_2S_3 .

三人次相互独立,每一类的概率都是 (916)2⋅716\left(\dfrac9{16}\right)^{2}\cdot\dfrac7{16},三类相加:

P(η=2)=3×(916)2×716=17014096.P(\eta=2)=3\times\left(\frac9{16}\right)^{2}\times\frac7{16}=\frac{1701}{4096} .

那个 33 正是组合数 C32\mathrm{C}_3^2——从 33 个人次里挑出成功的那 22 个。 把这一段一般化,就是课本上二项分布的那个公式;考场上写 C32\mathrm{C}_3^2 更快, 但明白 33 是怎么来的,才不会在「恰好 / 至少」这类变形上翻车。

解法三:倒过来问——「从这个口出发,最后掉进 CC 的概率是多少」

怎么想到的。 前两条路都是从 MM 往下算。可第 (II) 问其实只要一个数: p=P(A)+P(B)=1−P(C)p=P(A)+P(B)=1-P(C)。能不能只算 P(C)P(C) 一个,而且比灌满整张图更省?

能。对每个节点 XX 定义

f(X)=(小球此刻在 X,最终落入 C 的概率),f(X)=\text{(小球此刻在 }X\text{,最终落入 }C\text{ 的概率)} ,

在一个叉口处按「向左 / 向右」这两个互斥且必居其一的情形拆开,正是全概率公式:

f(X)=12f(X左)+12f(X右).f(X)=\frac12 f(X_{\text{左}})+\frac12 f(X_{\text{右}}) .

三个出口是边界:f(C)=1f(C)=1,f(A)=f(B)=0f(A)=f(B)=0。从底下往上推:

  • 中间那个「汇合后再叉」的口:左支汇进 CC、右支就是 AA,

    f=12×1+12×0=12;f=\frac12\times 1+\frac12\times 0=\frac12 ;
  • 右内侧那个叉口:一支去中间、一支去 BB,

    f=12×12+12×0=14;f=\frac12\times\frac12+\frac12\times 0=\frac14 ;
  • 左边那个叉口:外侧直达 CC(f=1f=1)、内侧去中间(f=12f=\frac12),

    f=12×1+12×12=34;f=\frac12\times 1+\frac12\times\frac12=\frac34 ;
  • 右边那个叉口:内侧去上面那个 14\frac14、外侧直达 BB(f=0f=0),

    f=12×14+12×0=18;f=\frac12\times\frac14+\frac12\times 0=\frac18 ;
  • 第一个叉口(也就是 MM):

    P(C)=f(M)=12×34+12×18=38+116=716.P(C)=f(M)=\frac12\times\frac34+\frac12\times\frac18=\frac38+\frac1{16}=\frac{7}{16} .

第 (II) 问到此已经做完——用对立事件一步跨过去,AA、BB 的概率根本不必分开求:

p=1−P(C)=1−716=916⟹P(η=2)=C32(916)2⋅716=17014096.p=1-P(C)=1-\frac7{16}=\frac9{16} \quad\Longrightarrow\quad P(\eta=2)=\mathrm{C}_3^2\left(\frac9{16}\right)^2\cdot\frac7{16}=\frac{1701}{4096} .

第 (I) 问要整张分布列,就把同一套递推对 AA 再跑一遍(边界换成 g(A)=1g(A)=1、g(B)=g(C)=0g(B)=g(C)=0): 中间那个口 g=12g=\dfrac12,右内侧 g=14g=\dfrac14,左叉口 g=12×0+12×12=14g=\dfrac12\times 0+\dfrac12\times\dfrac12=\dfrac14, 右叉口 g=18g=\dfrac18,于是

P(A)=g(M)=12×14+12×18=316,P(A)=g(M)=\frac12\times\frac14+\frac12\times\frac18=\frac{3}{16} ,

最后一个用概率和补齐:P(B)=1−716−316=616=38P(B)=1-\dfrac7{16}-\dfrac3{16}=\dfrac{6}{16}=\dfrac38。 把三个数按 1,2,31,2,3 等奖配上折扣率,就是解法一那张分布列,Eξ=316×12+38×710+716×910=34E\xi=\dfrac3{16}\times\dfrac12+\dfrac38\times\dfrac7{10}+\dfrac7{16}\times\dfrac9{10}=\dfrac34。

这条路的性价比在哪。 问「落到某一个指定出口」的概率时,倒推只需扫一遍节点, 而且天然绕开了「汇合口要等所有入边算完」那个坑——倒着走时汇合口变成了普通的一段管子, 不需要任何汇总。代价是:想要整张分布列,得对每个出口各跑一遍。 正推一次给全部出口,倒推一次给一个出口——按问的是什么挑。

答案

(I) ξ 的分布列见上表,Eξ=34;(II) P(η=2)=17014096.\boxed{ \begin{aligned} \text{(I)}\ & \xi\ \text{的分布列见上表},\quad E\xi=\frac34 ;\\ \text{(II)}\ & P(\eta=2)=\frac{1701}{4096} . \end{aligned}}

两处原卷的排印错误,读解析时别被带偏(本站照留不改):

  1. 解析写「由题意得 η−B(3,916)\eta-B\left(3,\dfrac9{16}\right)」,那个连字符应是 ∼\sim(服从);
  2. 末式的组合数印成 C12\mathrm{C}_{1}^{2},应是 C32\mathrm{C}_{3}^{2}——C12\mathrm{C}_1^2 根本没有意义(上标大于下标), 而算出来的 17014096=3×81256×716\dfrac{1701}{4096}=3\times\dfrac{81}{256}\times\dfrac7{16} 用的正是 C32=3\mathrm{C}_3^2=3, 所以错的只是那个下标。

最后把这道题的骨架抽出来。 它考的根本不是二项分布的公式,而是两句话:

  • 叉口除以 22,汇合口相加——这两条规则把一张看不懂的图变成一串加减乘除;
  • 「11 等奖或 22 等奖」可以缩成一次成功——把三个出口压成两类之后, 一次抽奖就退化成了一次伯努利试验,第 (II) 问才有资格叫二项分布。

图越绕,越要先重画成节点和箭头;概率不看路径条数,只看分叉次数。

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