概率與數列、導數、函數和方程等知識交匯的創新題型

2023-04-26 14:11:02河南省固始縣信合外國語高級中學胡云兵

中學生數理化(高中版.高二數學) 2023年4期

■河南省固始縣信合外國語高級中學胡云兵

2019年高考全國Ⅰ卷首次把概率題作為壓軸題出現,當時引起一片嘩然,這是在傳遞什么信號? 概率統計題何去何從? 我們要如何備考? 帶著這些問題,我們從近幾年全國卷和部分省份的概率高考題,發現概率題增加難度,不是概率知識本身增加難度,而是難在概率與其他數學知識交匯處命題。下面通過幾道高考題來說明概率與其他數學知識交匯的創新題型。

一、概率與數列的交匯

例1(2019 全國Ⅰ卷理數第21 題)為治療某種疾病,研制了甲、乙兩種新藥,希望知道哪種新藥更有效,為此進行動物試驗。試驗方案如下:每一輪選取兩只白鼠對藥效進行對比試驗。對于兩只白鼠,隨機選一只施以甲藥,另一只施以乙藥。一輪的治療結果得出后,再安排下一輪試驗。當其中一種藥治愈的白鼠比另一種藥治愈的白鼠多4只時,就停止試驗,并認為治愈只數多的藥更有效。為了方便描述問題,約定:對于每輪試驗,若施以甲藥的白鼠治愈且施以乙藥的白鼠未治愈,則甲藥得1 分,乙藥得-1 分;若施以乙藥的白鼠治愈且施以甲藥的白鼠未治愈,則乙藥得1 分,甲藥得-1 分;若都治愈或都未治愈,則兩種藥均得0分。甲、乙兩種藥的治愈率分別記為α和β,一輪試驗中甲藥的得分記為X。

(1)求X的分布列。

(2)若甲藥、乙藥在試驗開始時都賦予4分,pi(i=0,1,…,8)表示“甲藥的累計得分為i時,最終認為甲藥比乙藥更有效”的概率,則p0=0,p8=1,pi=api-1+bpi+cpi+1(i=1,2,…,7),其中a=P(X=-1),b=P(X=0),c=P(X=1)。假設α=0.5,β=0.8。

(i)證明:{pi+1-pi}(i=0,1,2,…,7)為等比數列;

(ii)求p4,并根據p4的值解釋這種試驗方案的合理性。

解析：(1)X的所有可能取值為-1,0,1。

P(X=-1)=(1-α)β,P(X=0)=αβ+(1-α)(1-β),P(X=1)=α(1-β)。

故X的分布列如表1。

表1

(2)(i)已知α=0.5,β=0.8,故由(1)得,a=0.4,b=0.5,c=0.1。

因此,pi=0.4pi-1+0.5pi+0.1pi+1(i=1,2,…,7)。

整理得0.1(pi+1-pi)=0.4(pi-pi-1),即pi+1-pi=4(pi-pi-1)。

又p1-p0=p1≠0,故{pi+1-pi}(i=0,1,2,…,7)為公比為4,首項為p1的等比數列。

(ii)由(i)可得:

p4表示最終認為甲藥更有效的概率。

由計算結果可以看出,在甲藥治愈率為0.5,乙藥治愈率為0.8時,認為甲藥更有效的概率為,此時得出錯誤結論的概率非常小,說明這種試驗方案合理。

點評:本題是函數與數列的綜合題,主要考查數列和函數的應用,考查離散型隨機變量的分布列。根據條件推出數列的遞推關系是解決本題的關鍵。其本質仍然是常規的概率與統計問題,只是其中涉及了數列問題的應用,一般轉化為等差、等比數列的定義、通項公式或者數列求和問題。

二、概率與函數、方程和導數的交匯

例2(2021新高考Ⅱ卷第21 題) 一種微生物群體可以經過自身繁殖不斷生存下來,設一個這種微生物為第0代,經過一次繁殖后為第1 代,再經過一次繁殖后為第2代,……,該微生物每代繁殖的個數是相互獨立的且有相同的分布列,設X表示1個微生物個體繁殖下一代的個數,P(X=i)=pi(i=0,1,2,3)。

(1)已知p0=0.4,p1=0.3,p2=0.2,p3=0.1,求E(X)。

(2)設p表示該種微生物經過多代繁殖后臨近滅絕的概率,p是關于x的方程:p0+p1x+p2x2+p3x3=x的一個最小正實根。求證:當E(X)≤1 時,p=1;當E(X)＞1時,p＜1。

(3)根據你的理解,請說明(2)問結論的實際含義。

解析：(1)E(X)=0×0.4+1×0.3+2×0.2+3×0.1=1。

(2)設f(x)=p3x3+p2x2+(p1-1)x+p0。

因為p3+p2+p1+p0=1,所以f(x)=p3x3+p2x2-(p2+p0+p3)x+p0。

①若E(X)≤1,則p1+2p2+3p3≤1,故p2+2p3≤p0。

f'(x)=3p3x2+2p2x-(p2+p0+p3)。

因為f'(0)=-(p2+p0+p3)＜0,f'(1)=p2+2p3-p0≤0,所以f'(x)有兩個不同零點x1,x2,且x1＜0＜1≤x2。

當x∈(-∞,x1)∪(x2,+∞)時,f'(x)＞0;當x∈(x1,x2)時,f'(x)＜0。

故f(x)在(-∞,x1)上為增函數,在(x1,x2)上為減函數,在(x2,+∞)上為增函數。

若x2=1,f(x)在(x2,+∞)為增函數且f(1)=0。而當x∈(0,x2)時,因為f(x)在(x1,x2)上為減函數,所以f(x)＞f(x2)=f(1)=0,故1為p0+p1x+p2x2+p3x3=x的一個最小正實根。

若x2＞1,因為f(1)=0 且在(0,x2)上為減函數,所以1為p0+p1x+p2x2+p3x3=x的一個最小正實根。

綜上,若E(X)≤1,則p=1。

②若E(X)＞1,則p1+2p2+3p3＞1,故p2+2p3＞p0。

此時f'(0)=-(p2+p0+p3)＜0,f'(1)=p2+2p3-p0＞0,故f'(x)有兩個不同零點x3,x4,且x3＜0＜x4＜1。

當x∈(-∞,x3)∪(x4,+∞)時,f'(x)＞0;當x∈(x3,x4)時,f'(x)＜0。

故f(x)在(-∞,x3)上為增函數,在(x3,x4)上為減函數,在(x4,+∞)上為增函數。

而f(1)=0,故f(x4)＜0。

又f(0)=p0＞0,故f(x)在(0,x4)存在一個零點p,且p＜1。

所以p為p0+p1x+p2x2+p3x3=x的一個最小正實根,此時p＜1。

故當E(X)＞1時,p＜1。

(3)結論的實際含義:每一個該種微生物繁殖后代的平均數不超過1,則若干代必然滅絕;若繁殖后代的平均數超過1,則若干代后被滅絕的概率小于1。

點評:在概率與統計的問題中,決策的工具是樣本的數字特征或有關概率。決策方案的最佳選擇是將概率最大(最小)或均值最大(最小)的方案作為最佳方案,這往往借助于函數、不等式或數列的有關性質去實現。

例3(2018 年全國Ⅰ卷理數第20題)某工廠的某種產品成箱包裝,每箱200件,每一箱產品在交付用戶之前要對產品進行檢驗,如檢驗出不合格品,則更換為合格品。檢驗時,先從這箱產品中任取20件進行檢驗,再根據檢驗結果決定是否對余下的所有產品檢驗。設每件產品為不合格品的概率都為p(0＜p＜1),且各件產品是否為不合格品相互獨立。

(1)記20件產品中恰有2件不合格品的概率為f(p),求f(p)的最大值點p0。

(2)現對一箱產品檢驗了20 件,結果恰有2件不合格品,以(1)中確定的p0作為p的值。已知每件產品的檢驗費用為2 元,若有不合格品進入用戶手中,則工廠要對每件不合格品支付25元的賠償費用。

①若不對該箱余下的產品進行檢驗,這一箱產品的檢驗費用與賠償費用的和記為X,求E(X);

②以檢驗費用與賠償費用和的期望值為決策依據,是否該對這箱余下的所有產品作檢驗?

令f'(p)=0,得p=0.1。

當p∈(0,0.1)時,f'(p)＞0;

當p∈(0.1,1)時,f'(p)＜0。

所以f(p)的最大值點為p0=0.1。

(2)由(1)知,p=0.1。

①令Y表示余下的180件產品中的不合格品件數,依題意知Y～B(180,0.1),X=20×2+25Y,即X=40+25Y。

所以E(X)=E(40+25Y)=40+25E(Y)=40+25×180×0.1=490。

②若對余下的產品作檢驗,則這一箱產品所需要的檢驗費用為400元。