在一所初级学院中,体育(PE)部门正在分析两个年级 C1 和 C2 的女生完成 2.4 公里跑步测试所用的时间。 随机挑选的一名 C1 女生完成 2.4 公里跑步测试的时间(以分钟为单位)服从均值为 14.8 分钟、方差为 2 minutes22\ \text{minutes}^2 的正态分布。 体育部门对 C1 女生采用了新的训练策略。在进行新的训练策略后,随机挑选的一名 C1 女生完成 2.4 公里跑步测试的时间(以分钟为单位)现在据称服从分布 N(μ,σ2N(\mu,\sigma^2)。 如果女生能在不超过 15 分钟 40 秒内完成 2.4 公里跑步测试,她们将获得至少 B 级。女生 2.4 公里跑步测试的及格时间为 17 分钟 20 秒。

  1. ((i))

    随机选择一组共 kk 名 C1 女生。已知她们完成 2.4 公里跑步测试的平均时间不超过 15 分钟 40 秒的概率超过 99%,求 kk 的最小值。

  2. ((ii))

    已知随机选择的 C1 女生有 70% 的概率获得至少 B 级,有 5% 的概率 2.4 公里跑步测试不及格,求 μ\mu 和 σ\sigma 的值。

  3. ((iii))

    从 C2 中随机挑选的一名女生完成 2.4 公里跑步测试的时间(以分钟为单位)服从均值为 15.1 分钟、方差为 14 minutes214\ \text{minutes}^2 的正态分布。

    该部门意识到给出的 C2 女生完成 2.4 公里跑步测试的时间分布存在错误。解释并给出理由说明为什么这一给出的分布是不正确的。

  4. ((iv))

    假设随机挑选的一名 C1 女生完成 2.4 公里跑步测试的时间(以分钟为单位)仍服从均值为 14.8 分钟、方差为 2 minutes22\ \text{minutes}^2 的正态分布。纠正后,随机挑选的一名 C2 女生完成 2.4 公里跑步测试的时间(以分钟为单位)现在据称服从分布 N(15.1,1.4)N(15.1, 1.4)。

    随机挑选的 4 名 C1 女生完成测试的总时间与随机挑选的一名 C2 女生完成 2.4 公里跑步测试所用时间的四倍之差小于一分钟的概率是多少?

  5. ((v))
    1. ((a))

      写出使一个有 nn 名女生的 C2 班级中 2.4 公里跑步测试不及格的女生人数能够很好地用二项分布建模的两个假设。

    2. ((b))

      现在假设一个有 nn 名女生的 C2 班级中 2.4 公里跑步测试不及格的女生人数能很好地用二项分布建模。已知在下一年中,一个有 nn 名女生的 C2 班级中 2.4 公里跑步测试不及格的女生人数少于 3 人的概率为 0.977,求 nn 的值。

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完整解法

11((i))

1. State the distribution of the sample mean running time, $\bar{X}$, for $k$ girls.

Let Xˉ\bar{X} be the sample mean running time. Then,
Xˉ∼N(14.8,2k)\bar{X} \sim \text{N}\left(14.8, \frac{2}{k}\right)

2. Convert 15 minutes 40 seconds to minutes and set up the probability inequality.

15 min 40 s=15+4060=473 min15 \text{ min } 40 \text{ s} = 15 + \frac{40}{60} = \frac{47}{3} \text{ min}
We require:
P(Xˉ≤473)>0.99\text{P}\left(\bar{X} \le \frac{47}{3}\right) > 0.99

3. Standardise the inequality and solve for $k$ using the inverse normal distribution.

P(Z≤473−14.82k)>0.99\text{P}\left(Z \le \frac{\frac{47}{3} - 14.8}{\sqrt{\frac{2}{k}}}\right) > 0.99
13/152/k>2.3263\frac{13/15}{\sqrt{2/k}} > 2.3263
k2>2.326313/15\sqrt{\frac{k}{2}} > \frac{2.3263}{13/15}
k>3.7964\sqrt{k} > 3.7964
k>14.41k > 14.41
Since kk must be an integer, the least value of kk is 1515.

答案

1515

11((ii))

1. Convert the given times into minutes and formulate the probability statements based on the context.

Let XX be the running time, in minutes, of a randomly chosen C1 girl after the new training strategy.
X∼N(μ,σ2)X \sim \mathrm{N}(\mu, \sigma^2)

15 minutes 40 seconds=154060=473 minutes15\text{ minutes } 40\text{ seconds} = 15\frac{40}{60} = \frac{47}{3}\text{ minutes}
17 minutes 20 seconds=172060=523 minutes17\text{ minutes } 20\text{ seconds} = 17\frac{20}{60} = \frac{52}{3}\text{ minutes}

Given the conditions for at least a B grade and failing:
P(X≤473)=0.70P\left(X \le \frac{47}{3}\right) = 0.70
P(X>523)=0.05  ⟹  P(X≤523)=0.95P\left(X > \frac{52}{3}\right) = 0.05 \implies P\left(X \le \frac{52}{3}\right) = 0.95

2. Standardise the variable $X$ to form linear equations in terms of $\mu$ and $\sigma$.

Standardising to Z=X−μσ∼N(0,1)Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \sim \mathrm{N}(0, 1):

P(Z≤47/3−μσ)=0.70P\left(Z \le \frac{47/3 - \mu}{\sigma}\right) = 0.70
From the inverse normal distribution, 47/3−μσ≈0.52440\frac{47/3 - \mu}{\sigma} \approx 0.52440
  ⟹  473−μ=0.52440σ— (1)\implies \frac{47}{3} - \mu = 0.52440\sigma \quad \text{--- (1)}

P(Z≤52/3−μσ)=0.95P\left(Z \le \frac{52/3 - \mu}{\sigma}\right) = 0.95
From the inverse normal distribution, 52/3−μσ≈1.64485\frac{52/3 - \mu}{\sigma} \approx 1.64485
  ⟹  523−μ=1.64485σ— (2)\implies \frac{52}{3} - \mu = 1.64485\sigma \quad \text{--- (2)}

3. Solve the simultaneous equations to find the values of $\mu$ and $\sigma$.

Subtracting equation (1) from equation (2):
523−473=(1.64485−0.52440)σ\frac{52}{3} - \frac{47}{3} = (1.64485 - 0.52440)\sigma
53=1.12045σ\frac{5}{3} = 1.12045\sigma
σ=53(1.12045)≈1.4875\sigma = \frac{5}{3(1.12045)} \approx 1.4875

Substituting σ≈1.4875\sigma \approx 1.4875 back into equation (1):
μ=473−0.52440(1.4875)≈14.8866\mu = \frac{47}{3} - 0.52440(1.4875) \approx 14.8866

Rounding to 3 significant figures, we get:
μ=14.9\mu = 14.9
σ=1.49\sigma = 1.49

答案

μ=14.9\mu = 14.9, σ=1.49\sigma = 1.49

11((iii))

1. Evaluate the spread of the distribution to find the probability of extreme low values.

Let TT be the running time in minutes. Given T∼N(15.1,14)T \sim \text{N}(15.1, 14), the standard deviation is σ=14≈3.742\sigma = \sqrt{14} \approx 3.742 minutes.

Considering the extreme lower end of the typical normal distribution spread (3σ3\sigma from the mean):
μ−3σ=15.1−314≈3.88 minutes\mu - 3\sigma = 15.1 - 3\sqrt{14} \approx 3.88 \text{ minutes}

Alternatively, checking the probability of an exceptionally fast time (e.g., under 8 minutes):
P(T<8)=P(Z<8−15.114)≈P(Z<−1.897)≈0.0289P(T < 8) = P\left(Z < \frac{8 - 15.1}{\sqrt{14}}\right) \approx P(Z < -1.897) \approx 0.0289

2. Conclude that the model is incorrect based on the real-world physical context.

It is physically impossible for a randomly chosen JC girl to complete a 2.4 km run in 3.88 minutes. Similarly, having almost 3%3\% of girls finish in under 8 minutes is completely unrealistic for this context.

Therefore, the variance σ2=14\sigma^2 = 14 is excessively large, making the given normal distribution model incorrect.

答案

The variance is excessively large, leading to a significant probability of physically impossible or unrealistically fast running times (e.g., μ−3σ≈3.88\mu - 3\sigma \approx 3.88 minutes, or P(T<8)≈2.89%P(T < 8) \approx 2.89\%).

11((iv))

1. Define the linear combination $D$ for the difference and calculate its mean.

Let X∼N(14.8,2)X \sim \mathrm{N}(14.8, 2) be the running time in minutes of a randomly chosen C1 girl.
Let Y∼N(15.1,1.4)Y \sim \mathrm{N}(15.1, 1.4) be the running time in minutes of a randomly chosen C2 girl.
Let D=(X1+X2+X3+X4)−4YD = (X_1 + X_2 + X_3 + X_4) - 4Y be the required difference in time.
E(D)=4E(X)−4E(Y)\mathrm{E}(D) = 4\mathrm{E}(X) - 4\mathrm{E}(Y)
E(D)=4(14.8)−4(15.1)=−1.2\mathrm{E}(D) = 4(14.8) - 4(15.1) = -1.2

2. Calculate the variance of the linear combination $D$.

Var(D)=4Var(X)+42Var(Y)\mathrm{Var}(D) = 4\mathrm{Var}(X) + 4^2\mathrm{Var}(Y)
Var(D)=4(2)+16(1.4)=8+22.4=30.4\mathrm{Var}(D) = 4(2) + 16(1.4) = 8 + 22.4 = 30.4
Therefore, D∼N(−1.2,30.4)D \sim \mathrm{N}(-1.2, 30.4).

3. Find the probability that the magnitude of the difference is less than 1 minute.

We need the probability that the difference is less than a minute, which is P(∣D∣<1)\mathrm{P}(|D| < 1) or equivalently P(−1<D<1)\mathrm{P}(-1 < D < 1).
Using the normal distribution function on a graphing calculator:
P(−1<D<1)≈0.140645\mathrm{P}(-1 < D < 1) \approx 0.140645
P(−1<D<1)=0.141 (to 3 s.f.)\mathrm{P}(-1 < D < 1) = 0.141 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

0.141

11((v))((a))

1. State the assumption of independence in the context of the question.

Assumption 1: Whether any girl in the class fails the 2.4 km running test is independent of whether any other girl in the class fails.

2. State the assumption of constant probability in the context of the question.

Assumption 2: The probability of a girl failing the 2.4 km running test is constant for all girls in the class.

答案
  1. Whether any girl fails the 2.4 km running test is independent of whether any other girl fails.
  2. The probability of a girl failing the 2.4 km running test is constant for all girls in the class.

11((v))((b))

1. Calculate the probability that a C2 girl fails the 2.4 km running test.

Let YY be the running time in minutes of a randomly chosen C2 girl.
From part (iv), Y∼N(15.1,1.4)Y \sim N(15.1, 1.4).
The passing time is 1717 minutes 2020 seconds, which is 171317\frac{1}{3} minutes.
The probability of a girl failing is P(Y>1713)P(Y > 17\frac{1}{3}).
p=P(Y>1713)≈0.0295461p = P(Y > 17\frac{1}{3}) \approx 0.0295461

2. Set up the binomial model for the number of girls failing in a class of $n$ girls.

Let XX be the number of girls who fail the test in a class of nn girls.
X∼B(n,0.0295461)X \sim \text{B}(n, 0.0295461)
We are given that the probability of less than 3 girls failing is 0.9770.977.
P(X<3)=0.977P(X < 3) = 0.977
P(X≤2)=0.977P(X \le 2) = 0.977

3. Solve for the value of $n$ using the graphing calculator.

Using a graphing calculator to generate a table of values for P(X≤2)P(X \le 2) against nn:
When n=20n = 20, P(X≤2)≈0.980P(X \le 2) \approx 0.980
When n=21n = 21, P(X≤2)≈0.977P(X \le 2) \approx 0.977
When n=22n = 22, P(X≤2)≈0.974P(X \le 2) \approx 0.974

Comparing with the given probability of 0.9770.977, the value is n=21n = 21.

答案

n=21n = 21

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