在某个游戏摊位上,玩家向目标靶投掷飞镖以获得积分来兑换奖品。 目标靶可以建模为三个同心圆,其半径分别为一个单位、三个单位和五个单位。如图所示,如果飞镖落在标记为 50、25 或 0 的相应区域,玩家将分别获得 50 分、25 分或 0 分。飞镖落在标记为 50、25 或 0 的任何区域的概率与该区域的面积成正比。可以假设各区域之间的边界厚度忽略不计,且飞镖只会落在目标靶上,目标靶的总面积为 25π25\pi 单位2^2。 在一次游戏中,玩家向目标靶先后投掷两枚飞镖。在投掷下一枚飞镖之前,会先取下第一枚飞镖。设 SS 为玩家在两次投掷中获得的总得分。

  1. (a)

    证明 P(S=75)=16625\mathrm{P}(S = 75) = \frac{16}{625}。

  2. (b)

    求 SS 的概率分布。

  3. (c)

    求 SS 的期望和方差。

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完整解法

6(a)

1. Calculate the probability of scoring 50 and 25 on a single throw by finding the areas of the respective regions.

Area of region for 50=π(1)2=π\text{Area of region for } 50 = \pi(1)^2 = \pi
Area of region for 25=π(3)2−π(1)2=8π\text{Area of region for } 25 = \pi(3)^2 - \pi(1)^2 = 8\pi
Total area=25π\text{Total area} = 25\pi
P(50)=π25π=125P(50) = \frac{\pi}{25\pi} = \frac{1}{25}
P(25)=8π25π=825P(25) = \frac{8\pi}{25\pi} = \frac{8}{25}

2. Identify the score combinations that sum to 75 and compute the combined probability.

To obtain S=75, the scores from the two independent throws must be 50 and 25.\text{To obtain } S = 75\text{, the scores from the two independent throws must be 50 and 25.}
P(S=75)=P(50 then 25)+P(25 then 50)P(S = 75) = P(50 \text{ then } 25) + P(25 \text{ then } 50)
P(S=75)=(125×825)+(825×125)P(S = 75) = \left( \frac{1}{25} \times \frac{8}{25} \right) + \left( \frac{8}{25} \times \frac{1}{25} \right)
P(S=75)=8625+8625P(S = 75) = \frac{8}{625} + \frac{8}{625}
P(S=75)=16625(shown)P(S = 75) = \frac{16}{625} \quad \text{(shown)}

答案

\text{Shown}

6(b)

1. Determine the probability of getting each score for a single dart throw.

Let XX be the score from a single dart. The probability of landing on a region is proportional to its area. The total area of the board is 25π25\pi.

P(X=50)=π(1)225π=125\mathrm{P}(X=50) = \frac{\pi(1)^2}{25\pi} = \frac{1}{25}
P(X=25)=π(3)2−π(1)225π=8π25π=825\mathrm{P}(X=25) = \frac{\pi(3)^2 - \pi(1)^2}{25\pi} = \frac{8\pi}{25\pi} = \frac{8}{25}
P(X=0)=25π−π(3)225π=16π25π=1625\mathrm{P}(X=0) = \frac{25\pi - \pi(3)^2}{25\pi} = \frac{16\pi}{25\pi} = \frac{16}{25}

2. Identify the possible values of $S$ and calculate the probabilities for $S=0$ and $S=25$.

The possible combined scores for two independent throws are 0,25,50,750, 25, 50, 75, and 100100.

P(S=0)=P(X1=0)P(X2=0)=(1625)2=256625\mathrm{P}(S=0) = \mathrm{P}(X_1=0)\mathrm{P}(X_2=0) = \left(\frac{16}{25}\right)^2 = \frac{256}{625}

P(S=25)=P(X1=0)P(X2=25)+P(X1=25)P(X2=0)\mathrm{P}(S=25) = \mathrm{P}(X_1=0)\mathrm{P}(X_2=25) + \mathrm{P}(X_1=25)\mathrm{P}(X_2=0)
P(S=25)=2×(1625)(825)=256625\mathrm{P}(S=25) = 2 \times \left(\frac{16}{25}\right)\left(\frac{8}{25}\right) = \frac{256}{625}

3. Calculate the probabilities for $S=50$ and $S=100$.

P(S=50)=P(0,50)+P(50,0)+P(25,25)\mathrm{P}(S=50) = \mathrm{P}(0, 50) + \mathrm{P}(50, 0) + \mathrm{P}(25, 25)
P(S=50)=2×(1625)(125)+(825)2=32625+64625=96625\mathrm{P}(S=50) = 2 \times \left(\frac{16}{25}\right)\left(\frac{1}{25}\right) + \left(\frac{8}{25}\right)^2 = \frac{32}{625} + \frac{64}{625} = \frac{96}{625}

P(S=100)=P(X1=50)P(X2=50)=(125)2=1625\mathrm{P}(S=100) = \mathrm{P}(X_1=50)\mathrm{P}(X_2=50) = \left(\frac{1}{25}\right)^2 = \frac{1}{625}

4. Summarise the probability distribution of $S$ in a table, incorporating the result from part (a).

From part (a), P(S=75)=16625\mathrm{P}(S=75) = \frac{16}{625}.
To check if the distribution is valid: 256+256+96+16+1625=625625=1\frac{256 + 256 + 96 + 16 + 1}{625} = \frac{625}{625} = 1.

The probability distribution of SS is:

ss00252550507575100100
P(S=s)\mathrm{P}(S=s)256625\frac{256}{625}256625\frac{256}{625}96625\frac{96}{625}16625\frac{16}{625}1625\frac{1}{625}
答案
ss00252550507575100100
P(S=s)\mathrm{P}(S=s)256625\frac{256}{625}256625\frac{256}{625}96625\frac{96}{625}16625\frac{16}{625}1625\frac{1}{625}

6(c)

1. State the probability distribution of $S$ from part (b) and calculate the expectation.

From part (b), the probability distribution of SS is:

  • P(S=100)=1625\mathrm{P}(S=100) = \frac{1}{625}
  • P(S=75)=16625\mathrm{P}(S=75) = \frac{16}{625}
  • P(S=50)=96625\mathrm{P}(S=50) = \frac{96}{625}
  • P(S=25)=256625\mathrm{P}(S=25) = \frac{256}{625}
  • P(S=0)=256625\mathrm{P}(S=0) = \frac{256}{625}

The expectation of SS is given by E(S)=∑s P(S=s)\mathrm{E}(S) = \sum s \,\mathrm{P}(S = s):
E(S)=100(1625)+75(16625)+50(96625)+25(256625)+0(256625)\mathrm{E}(S) = 100\left(\frac{1}{625}\right) + 75\left(\frac{16}{625}\right) + 50\left(\frac{96}{625}\right) + 25\left(\frac{256}{625}\right) + 0\left(\frac{256}{625}\right)
E(S)=100+1200+4800+6400+0625\mathrm{E}(S) = \frac{100 + 1200 + 4800 + 6400 + 0}{625}
E(S)=12500625=20\mathrm{E}(S) = \frac{12500}{625} = 20

2. Calculate the expectation of $S^2$ and use it to find the variance.

Next, calculate E(S2)=∑s2 P(S=s)\mathrm{E}(S^2) = \sum s^2 \,\mathrm{P}(S = s):
E(S2)=1002(1625)+752(16625)+502(96625)+252(256625)+0\mathrm{E}(S^2) = 100^2\left(\frac{1}{625}\right) + 75^2\left(\frac{16}{625}\right) + 50^2\left(\frac{96}{625}\right) + 25^2\left(\frac{256}{625}\right) + 0
E(S2)=10000+5625(16)+2500(96)+625(256)625\mathrm{E}(S^2) = \frac{10000 + 5625(16) + 2500(96) + 625(256)}{625}
E(S2)=10000+90000+240000+160000625\mathrm{E}(S^2) = \frac{10000 + 90000 + 240000 + 160000}{625}
E(S2)=500000625=800\mathrm{E}(S^2) = \frac{500000}{625} = 800

The variance of SS is given by Var(S)=E(S2)−[E(S)]2\mathrm{Var}(S) = \mathrm{E}(S^2) - [\mathrm{E}(S)]^2:
Var(S)=800−202\mathrm{Var}(S) = 800 - 20^2
Var(S)=800−400=400\mathrm{Var}(S) = 800 - 400 = 400

答案

E(S)=20\mathrm{E}(S) = 20, Var(S)=400\mathrm{Var}(S) = 400

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