"Famous Amas" 制作两种曲奇饼干:杏仁曲奇和巧克力片曲奇。一块杏仁曲奇和一块巧克力片曲奇的质量(以克为单位)是相互独立的随机变量,分别服从分布 N(32,3.02)N(32, 3.0^2) 和 N(28,1.82)N(28, 1.8^2)。 杏仁曲奇的价格为每 100 克 $6,巧克力片曲奇的价格为每 100 克 $5。约翰(John)买了 4 块杏仁曲奇和 4 块巧克力片曲奇。辛迪(Cindy)买了 10 块巧克力片曲奇。

  1. (i)

    求随机选择的 4 块巧克力片曲奇的总质量在 100 克至 120 克之间的概率。

  2. (ii)

    求随机选择的 4 块巧克力片曲奇的总质量与随机选择的一块杏仁曲奇质量的两倍之差小于 50 克的概率。

  3. (iii)

    求约翰支付的费用多于辛迪的概率。

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完整解法

10(i)

1. Determine the distribution for the total mass of 4 randomly chosen chocolate chip cookies.

Let CC be the mass of a chocolate chip cookie, where C∼N(28,1.82)C \sim N(28, 1.8^2).
Let TC=C1+C2+C3+C4T_C = C_1 + C_2 + C_3 + C_4.
E(TC)=4×28=112\mathrm{E}(T_C) = 4 \times 28 = 112
Var(TC)=4×1.82=12.96\mathrm{Var}(T_C) = 4 \times 1.8^2 = 12.96
Hence, TC∼N(112,12.96)T_C \sim N(112, 12.96).

2. Evaluate the probability that the total mass is between 100 g and 120 g.

We require P(100<TC<120)\mathrm{P}(100 < T_C < 120).
Using a graphing calculator:
P(100<TC<120)≈0.986427\mathrm{P}(100 < T_C < 120) \approx 0.986427
≈0.986\approx 0.986 (to 3 s.f.)

答案

0.9860.986

10(ii)

1. Define the random variable for the difference and calculate its expected value.

Let C1,C2,C3,C4C_1, C_2, C_3, C_4 be the masses of the 4 randomly chosen chocolate chip cookies and AA be the mass of the randomly chosen almond cookie.
Let W=(C1+C2+C3+C4)−2AW = (C_1 + C_2 + C_3 + C_4) - 2A.
E(W)=4E(C)−2E(A)\text{E}(W) = 4\text{E}(C) - 2\text{E}(A)
E(W)=4(28)−2(32)=48\text{E}(W) = 4(28) - 2(32) = 48

2. Calculate the variance of the combined random variable.

Var(W)=4Var(C)+(−2)2Var(A)\text{Var}(W) = 4\text{Var}(C) + (-2)^2\text{Var}(A)
Var(W)=4(1.82)+4(3.02)=12.96+36=48.96\text{Var}(W) = 4(1.8^2) + 4(3.0^2) = 12.96 + 36 = 48.96
Thus, W∼N(48,48.96)W \sim \text{N}(48, 48.96).

3. Formulate the probability expression and evaluate it.

The magnitude of the difference is less than 50 g, so we require P(∣W∣<50)\text{P}(|W| < 50).
P(−50<W<50)≈0.612487\text{P}(-50 < W < 50) \approx 0.612487
P(−50<W<50)=0.612 (to 3 s.f.)\text{P}(-50 < W < 50) = 0.612 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

0.6120.612

10(iii)

1. Define the cost variables for John ($J$) and Cindy ($Y$) by applying the price rates to the respective total masses.

Let WAW_A be the total mass of 4 almond cookies, WC1W_{C1} be the total mass of 4 chocolate chip cookies, and WC2W_{C2} be the total mass of 10 chocolate chip cookies.
From the given distributions:
WA∼N(4×32,4×3.02)  ⟹  WA∼N(128,36)W_A \sim N(4 \times 32, 4 \times 3.0^2) \implies W_A \sim N(128, 36)
WC1∼N(4×28,4×1.82)  ⟹  WC1∼N(112,12.96)W_{C1} \sim N(4 \times 28, 4 \times 1.8^2) \implies W_{C1} \sim N(112, 12.96)
WC2∼N(10×28,10×1.82)  ⟹  WC2∼N(280,32.4)W_{C2} \sim N(10 \times 28, 10 \times 1.8^2) \implies W_{C2} \sim N(280, 32.4)

The prices per gram are $0.06\char36{}0.06 for almond and $0.05\char36{}0.05 for chocolate chip.
Cost for John: J=0.06WA+0.05WC1J = 0.06 W_A + 0.05 W_{C1}
Cost for Cindy: Y=0.05WC2Y = 0.05 W_{C2}

2. Calculate the expected value of the difference $J - Y$.

E(J)=0.06(128)+0.05(112)=7.68+5.60=13.28\mathrm{E}(J) = 0.06(128) + 0.05(112) = 7.68 + 5.60 = 13.28
E(Y)=0.05(280)=14\mathrm{E}(Y) = 0.05(280) = 14
E(J−Y)=13.28−14=−0.72\mathrm{E}(J - Y) = 13.28 - 14 = -0.72

3. Calculate the variance of the difference $J - Y$.

Var(J)=0.062(36)+0.052(12.96)=0.1296+0.0324=0.162\mathrm{Var}(J) = 0.06^2(36) + 0.05^2(12.96) = 0.1296 + 0.0324 = 0.162
Var(Y)=0.052(32.4)=0.081\mathrm{Var}(Y) = 0.05^2(32.4) = 0.081

Since JJ and YY are independent:
Var(J−Y)=Var(J)+Var(Y)\mathrm{Var}(J - Y) = \mathrm{Var}(J) + \mathrm{Var}(Y)
Var(J−Y)=0.162+0.081=0.243\mathrm{Var}(J - Y) = 0.162 + 0.081 = 0.243

4. State the distribution of $J - Y$ and compute the probability $P(J > Y)$.

Since linear combinations of independent normal variables are also normally distributed:
J−Y∼N(−0.72,0.243)J - Y \sim N(-0.72, 0.243)

We want to find P(J>Y)P(J > Y), which is equivalent to P(J−Y>0)P(J - Y > 0):
P(J−Y>0)=P(Z>0−(−0.72)0.243)P(J - Y > 0) = P\left(Z > \frac{0 - (-0.72)}{\sqrt{0.243}}\right)
P(J−Y>0)=P(Z>1.46059...)P(J - Y > 0) = P(Z > 1.46059...)
P(J−Y>0)≈0.072056P(J - Y > 0) \approx 0.072056
P(J>Y)=0.0721 (to 3 s.f.)P(J > Y) = 0.0721 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

0.07210.0721

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