稿件来源:高途
| 5.3.5 随机事件的独立性题目答案及解析如下,仅供参考!
必修二
第五章 统计与概率
5.3 概率
5.3.5 随机事件的独立性
甲、乙两人进行乒乓球练习,每个球胜者得$1$分,负者得$0$分.设每个球甲胜概率为$p\left(\dfrac{1}{2}\lt p\lt 1\right)$,乙胜概率为$q$,$p+q=1$,且各球胜负独立.对正整数$k\geqslant 2$,记$p_{k}$为打完$k$个球后甲比乙至少多得$2$分的概率,$q_{k}$为打完$k$个球后乙比甲至少多得$2$分的概率.
$(1)$求$p_{3}$,$p_{4}$(用$p$表示);
$(2)$若$\dfrac{{p}_{4}-{p}_{3}}{{q}_{4}-{q}_{3}}=4$,求$p$;
$(3)$证明:对任意正整数$m$,$p_{2m+1}-q_{2m+1}\lt p_{2m}-q_{2m}\lt p_{2m+2}-q_{2m+2}$.
$(1)$ $p_{3}=p^{3}$,$p_{4}=4p^{3}-3p^{4}$;
$(2)$$p=\\dfrac{2}{3}$;
$(3)$证明见解析.
"]]$(1)$$p_{3}$为打完$3$个球后甲比乙至少多得$2$分的概率,
$\therefore $ 只可能是甲得$3$分,乙得$0$分,
$\therefore p_{3}=p^{3}$,
$p_{4}$为打完$4$个球后甲比乙至少多得$2$分的概率,可能是甲得$3$分,乙得$1$分,或者甲得$4$分,乙得$0$分,
$\therefore p_{4}={\rm {C}}_{4}^{3}{p}^{3}q+p^{4}=4p^{3}q+p^{4}=4p^{3}(1-p)+p^{4}=4p^{3}-3p^{4}$;
$(2)$按$(1)$的方法同理,可得$q_{3}=q^{3}$,$q_{4}=(4-3q)q^{3}$,
而$p_{4}-p_{3}=(4-3p)p^{3}-p^{3}=3(1-p)p^{3}=3qp^{3}$,
同理$q_{4}-q_{3}=(4-3q)q^{3}-q^{3}=3pq^{3}$,
$\therefore \dfrac{p_{4}-p_{3}}{q_{4}-q_{3}}=\dfrac{3qp^{3}}{3pq^{3}}=\dfrac{p^{2}}{q^{2}}=\dfrac{p^{2}}{(1-p)^{2}}=4$,
可得$\dfrac{p}{1-p}=2$,$p=\dfrac{2}{3}$;
$(3)$设打完$k$个球,甲的得分为$X_{k}$,则乙的得分为$k-X_{k}$,
打完$k$个球后甲比乙至少多得$2$分的概率$p_{k}=P(X_{k}-k+X_{k}\geqslant 2)$,即可得$p_{k}=P\left(X\geqslant 1+\dfrac{{X}_{k}}{2}\right)$,
先来看左边的不等式,$p_{2m+1}=P\left(X_{2m+1}\geqslant 1+\dfrac{2m+1}{2}\right)=P(X_{2m+1}\geqslant m+2)$,
这时考察前$2m$个球,如果前面已经有$X_{2m}\geqslant m+2$,那无论如何都会有$P(X_{2m+1}\geqslant m+2)$;
而如果$X_{2m}=m+1$,则需要最后一个球甲得分;如果$X_{2m}\lt m+1$,那是无论如何也无法完成的,
因此会有$p_{2m+1}=P(X_{2m+1}\geqslant m+2\vert X_{2m}\geqslant m+2)P(X_{2m}\geqslant m+2)+P(X_{2m+1}\geqslant m+2\vert X_{2m}=m+1)P(X_{2m}=m+1)$
$=P(X_{2m}\geqslant m+2)+P(X_{2m}=m+1)p$
$=P(X_{2m}\geqslant m+2)+P(X_{2m}=m+1)-P(X_{2m}=m+1)q^{m}$
$=P(X_{2m}\geqslant m+1)-P(X_{2m}=m+1)q^{m+1}$
$=p_{2m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}p^{m+1}q^{m+1}$
同理会有$q_{2m+1}=q_{2m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}q^{m+1}p^{m+1}$;
故此$p_{2m+1}-q_{2m+1}=p_{2m}-q_{2m}+{\rm C}_{2m}^{m+1}q^{m+1}p^{m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}p^{m+1}q^{m}$
$=p_{2m}-q_{2m}+{\rm C}_{2m}^{m+1}(pq)^{m}(q-p)\lt p_{2m}-q_{2m}$,
右边可以采用差不多的办法,只不过这次要一次性考虑两个球.
此时要求$X_{2m+2}\geqslant m+2$,当已经有$X_{2m}\geqslant m+2$时,无论如何都会有$X_{2m+2}\geqslant m+2$;
当$X_{2m}=m+1$时,只要保障不连丢两球就行;
当$X_{2m}=m$时,就必须连赢两球;
当$X_{2m}\lt m$,则完全不可能.
即$p_{2m+2}=P(X_{2m+2}\geqslant m+2)$
$=P(X_{2m}\geqslant m+2)+P(X_{2m}=m)p^{2}+P(X_{2m}=m+1)(1-(1-p))^{2}$
$=P(X_{2m}\geqslant m+2)+P(X_{2m}=m)+P(X_{2m}=m+1)+(p^{2}-1)P(X_{2m}=m)-(1-p)^{2}P(X_{2m}=m+1)$
$=P(X_{2m}\geqslant m)+(p^{2}-1){\rm C}_{2m}^{m}p^{m}q^{m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}p^{m+1}q^{m+1}$
$=p_{2m}+(1-p^{2}){\rm C}_{2m}^{m}p^{m}q^{m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}p^{m+1}q^{m+1}$,
同理$q_{2m+2}=q_{2m}+(q^{2}-1){\rm C}_{2m}^{m}p^{m}q^{m}-{\rm C}_{2m}^{m+1}p^{m+1}q^{m+1}$
于是$p_{2m+2}-q_{2m+2}=p_{2m}-q_{2m}+(p^{2}-q^{2}){\rm C}_{2m}^{m}p^{m}q^{m}\gt p_{2m}-q_{2m}$.
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