| 4.3.1 一元线性回归模型 题目答案及解析

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选择性必修二

第四章 概率与统计

4.3 统计模型

4.3.1 一元线性回归模型

杭州$2022$年亚运会将于$2023$$9$$23$日至$10$$8$日在我国杭州举办.为迎接这一体育盛会,浙江某大学组织大学生举办了一次主题为“喜迎杭州亚运,当好东道主”的亚运知识竞赛,并从所有参赛大学生中随机抽取了$200$人,统计他们的竞赛成绩$m($满分$100$分,已知每名参赛大学生至少得$60$分),制成了如下所示的频数分布表:

成绩$/$$\left[60,70\right)$$\left[70,80\right)$$\left[80,90\right)$$\left[90,100\right]$
人数$60$$70$$50$$20$

$(1)$规定成绩不低于$85$分为“优秀”,成绩低于$85$分为“非优秀”,这$200$名参赛大学生的成绩的情况统计如下表:

分类优秀非优秀总计
男生$30$$70$$100$
女生$20$$80$$100$

判断是否有$95\%$的把握认为竞赛成绩优秀与性别有关;
$(2)$经统计,用于学习亚运知识的时间(单位:时)与成绩(单位:分)之间的关系近似为线性相关关系,对部分参赛大学生用于学习亚运知识时间$x$与知识竞赛成绩$y$进行数据收集,如下表:

$x/$$8$$9$$11$$12$$15$
$y/$$67$$63$$80$$80$$85$

求变量$y$关于$x$的线性回归方程$\hat{y}=\hat{b}x+\hat{a}$
$(3)A$市某企业赞助了这次知识竞赛,给予每位参赛大学生一定的奖励,奖励方案有以下两种:方案一:按竞赛成绩$m$进行分类奖励,当$m \lt 80$时,奖励$100$元;当$80\leqslant m \lt 90$时,奖励$200$元;当$m\geqslant 90$时,奖励$300$元.
方案二:利用抽奖的方式获得奖金,其中竞赛成绩低于样本中位数的只有$1$次抽奖机会,竞赛成绩不低于样本中位数的则有$2$次抽奖机会,其中每次抽奖抽中$100$元现金红包的概率均为$\dfrac{3}{4}$,抽中$200$元现金红包的概率均为$\dfrac{1}{4}$,且两次抽奖结果相互独立.
若每名参赛大学生只能选择一种奖励方案,试用样本的频率估计总体的概率,从数学期望的角度分析,每名参赛大学生选择哪种奖励方案更有利.
附:${K}^{2}=\dfrac{n(ad-bc)^{2}}{(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)}($其中$n=a+b+c+d)$

$P(K^{2}\geqslant k_{0})$$0.10$$0.05$$0.025$$0.010$$0.005$$0.001$
$k_{0}$$2.706$$3.841$$5.024$$6.635$$7.879$$10.828$

线性回归方程$\hat{y}=\hat{b}x+\hat{a}$中,$\hat{b}=\dfrac{\sum_{i=1}^{n}{({x}_{i}-\overline{x})({y}_{i}-\overline{y})}}{\sum_{i=1}^{n}{({x}_{i}-\overline{x})^{2}}}$$\hat{a}=\overline{y}-\hat{b}\overline{x}$
$(2)$问中,$\overline{x}=11$$\overline{y}=75$$\sum_{i=1}^{5}{x}_{i}{y}_{i}=4218$$\sum_{i=1}^{5}{x}_{i}^{2}=635$.

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$(1)$没有$95\\\\%$的把握认为竞赛成绩优秀与性别有关

$(2)$$\\hat{y}=3.1x+40.9$

$(3)$答案见解析

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$(1)\because a=30$$b=70$$c=20$$d=80$
$\therefore {K}^{2}=\dfrac{200×(30×80-20×70)^{2}}{50×150×100×100}≈2.667\lt 3.841$
$\therefore $没有$95\%$的把握认为竞赛成绩优秀与性别有关;
$(2)$$\overline{x}=11$$\overline{y}=75$$\sum_{i=1}^{5}{x}_{i}{y}_{i}=4218$$\sum_{i=1}^{5}{x}_{i}^{2}=635$
$\hat{b}=\dfrac{\sum_{i=1}^{5}{x}_{i}{y}_{i}-5\overline{x}\overline{y}}{\sum_{i=1}^{5}{{x}_{i}}^{2}-5{\overline{x}}^{2}}=\dfrac{4218-5×11×75}{635-5×1{1}^{2}}=\dfrac{93}{30}=3.1$
$\therefore \hat{a}=\overline{y}-\hat{b}\overline{x}=75-3.1×11=40.9$
$\therefore $所求线性回归方程为$\hat{y}=3.1x+40.9$
$(3)$方案一、设每名参赛大学生可获得的奖金为$X$元,则$X$的所有可能取值为$100$$200$$300$
其对应的概率分别为$\dfrac{130}{200}$$\dfrac{50}{200}$$\dfrac{20}{200}$
$E(X)=100×\dfrac{130}{200}+200×\dfrac{50}{200}+300×\dfrac{20}{200}=145($$)$.
方案二,设每名参赛大学生可获得的奖金为$Y$元,则$Y$的所有可能取值为$100$$200$$300$$400$
$P(Y=100)=\dfrac{1}{2}×\dfrac{3}{4}=\dfrac{3}{8}$
$P(Y=200)=\dfrac{1}{2}×\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}×\dfrac{3}{4}×\dfrac{3}{4}=\dfrac{13}{32}$
$P(Y=300)=\dfrac{1}{2}×2×\dfrac{3}{4}×\dfrac{1}{4}=\dfrac{3}{16}$
$P(Y=400)=\dfrac{1}{2}×\dfrac{1}{4}×\dfrac{1}{4}=\dfrac{1}{32}$.
$Y$的分布列为:

$Y$$100$$200$$300$$400$
$P$$\dfrac{3}{8}$$\dfrac{13}{32}$$\dfrac{3}{16}$$\dfrac{1}{32}$

$\therefore E(Y)=100×\dfrac{3}{8}+200×\dfrac{13}{32}+300×\dfrac{3}{16}+400×\dfrac{1}{32}=187.5($$)$.
$\because E\left(X\right) \lt E\left(Y\right)$$\therefore $从数学期望的角度分析,每名参赛大学生选择方案二更有利.

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