3 - Otava
Transcription
3 - Otava
Lukion Calculus 3 MAA6 Todennäköisyys ja tilastot Paavo Jäppinen Alpo Kupiainen Matti Räsänen Otava PIKATESTIN JA KERTAUSKOKEIDEN TEHTÄVÄT RATKAISUINEEN Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 1 Pikatesti (MAA6) 1. a) Autoliikkeessä tilastoitiin vuoden aikana myytyjen käytettyjen autojen merkki, rekisteröintivuosi ja hinta. Mille asteikkotyypeille mainitut muuttujat soveltuvat? b) Liike myi tietyn merkkistä, saman vuosimallin autoa kunnosta ja ajokilometrimäärästä riippuen vaihtelevaan hintaan seuraavasti: hinta (€) määrä (%) 14 000 13 14 800 22 15 200 38 16 000 19 17 000 8 Laske keskihinta ja hinnan keskihajonta. Ratkaisu: a) automerkki: luokitteluasteikko rekisteröintivuosi: luokitteluasteikko, järjestysasteikko hinta: luokitteluasteikko, järjestysasteikko, suhdeasteikko b) Keskihinta on 15 250 € ja hinnan keskihajonta 780 €. 2. Valitse populaatiosta {17, 18, 19, 22, 23, 24, 25, 26} neljän alkion otos niin, että sen keskihajonta on mahdollisimman suuri. Kuinka suuri tämä keskihajonta on? Ratkaisu: Populaation {17, 18, 19, 22, 23, 24, 25, 26} keskiarvo on 21,75 ja otoskeskihajonta 3,15. Populaation alkioiden suurin poikkeaman itseisarvo on luvuilla 17, 26, 18 ja 25. Samat luvut käyvät otoksen luvuiksi. Otos on {17, 18, 25, 26}. Sen keskiarvo on 21,5 ja otoskeskihajonta σ n −1 = 4,65. 3. Erään lukion opiskelijoista oli tyttöjä 62 %. Heidän historian arvosanojensa keskiarvo oli 8,2. Pojilla vastaava keskiarvo oli 7,6. Mikä oli kaikkien opiskelijoiden historian arvosanojen keskiarvo? Ratkaisu: Koko lukion historian keskiarvo oli 4. 62 ⋅ 8,2 + 38 ⋅ 7,6 ≈ 8,0 . 100 Kuinka monta kolmekirjaimista "sanaa" voidaan muodostaa kahdeksasta vokaalista, joissa vokaali a a) ei esiinny kertaakaan, b) esiintyy ainakin kerran? Ratkaisu: a) Käytetään vain 7 vokaalia. Niistä saa 73 = 343 ”sanaa”. b) Sanoja kaikkiaan on 83 = 512. Sanoja, joissa ei ole yhtään vokaalia a, on 343. Siis sanoja, joissa on ainakin yksi a, on 512 – 343 = 169. 5. Ryhmässä on 8 poikaa ja 6 tyttöä. Heistä arvotaan nelihenkinen toimikunta, jossa on kaksi tyttöä. Kuinka monta erilaista toimikuntaa on mahdollista muodostaa? © Lukion Calculus 3 2 Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut Ratkaisu: ⎛6⎞ Kuuden tytön joukosta voidaan valita kahden tytön ryhmiä ⎜⎜ ⎟⎟ = 15 ja kahdeksan ⎝ 2⎠ ⎛8 ⎞ pojan joukosta kahden pojan ryhmiä ⎜⎜ ⎟⎟ = 28 . Tuloperiaatteen mukaan nelihenkisiä ⎝ 2⎠ toimikuntia, joissa on kaksi tyttöä on 15 · 28 = 420. 6. Heitetään kolmea kolikkoa. Millä todennäköisyydellä kaikki antavat kruunan tai kaikki antavat klaavan? Ratkaisu: 1 1 1 1 1 1 1 ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = . 2 2 2 2 2 2 4 Toisin: Yksi kolikoista antaa kruunan tai klaavan. Todennäköisyys, että muut kaksi 1 1 1 kolikkoa antavat sen saman kuin äskeinen kolikko, on ⋅ = . 2 2 4 P(kaikki antavat kruunan tai kaikki antavan klaavan) = 7. Opintoryhmään kuuluu 15 poikaa ja 8 tyttöä. Ryhmän edustajiksi arvotaan kaksi opiskelijaa. Millä todennäköisyydellä ainakin toinen edustaja on tyttö? Ratkaisu: ⎛15 ⎞ ⎜2⎟ 148 P(ainakin toinen on tyttö) = 1 – P(molemmat ovat poikia) = 1 − ⎝ ⎠ = ≈ 0,58 ⎛ 23 ⎞ 253 ⎜2⎟ ⎝ ⎠ 15 14 148 Toisin: P(ainakin toinen on tyttö) = 1 – ⋅ = ≈ 0,58 23 22 253 8. Juha-Pekka tietää kokemuksesta osuvansa tikanheitossa kymppiin kahdeksan prosentin todennäköisyydellä. Juha-Pekka heittää viisi tikkaa. Millä todennäköisyydellä hän osuu kymppiin täsmälleen yhdellä tikalla? ⎛ 5⎞ Ratkaisu: P(täsmälleen yksi kymppi) = ⎜ ⎟ ⋅ 0,081 ⋅ 0,92 4 ≈ 0,29 ⎝1⎠ 9. Nopan kolmella sivutahkolla on silmäluku 1 ja lopuilla silmäluku 3. Noppaa heitetään kolmasti. Olkoon x saatujen silmälukujen summa. Määritä E(x). Ratkaisu: x voi saada arvot 3, 5, 7 ja 9. Oheinen taulukko sisältää x:n jakauman. x 3 5 7 9 p 1 8 3 8 3 8 1 8 © Lukion Calculus 3 Odotusarvo on E ( x) = 1 3 3 1 ⋅3+ ⋅5 + ⋅7 + ⋅9 = 6. 8 8 8 8 Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 10. 3 Oletetaan, että kevytjuuston rasvaprosentti on normaalijakautunut. Liike tilaa valmistajalta kevytjuustoa, jonka rasvapitoisuus on keskimäärin 15 %. Kuinka suuri hajonta saa rasvan prosenttiluvussa enintään olla, jotta todennäköisyys saada rasvapitoisuudeltaan yli 17 %:n juustoa olisi pienempi kuin 5 %? Ratkaisu: Jos rasvan prosenttiluku x ∼ N(15, σ), niin z = P (z > 17 − 55 σ x − 15 ∼ N(0, 1). P ( x > 17) = σ 2 2 ) = 1 − Φ ( ) < 0,05 , josta Φ ( ) > 0,95 ja taulukon mukaan σ σ 2 > 1,6449 . Tästä σ < 1,22 . Keskihajonta saa olla enintään 1,2 prosenttiyksikköä. σ Kertauskoe 1 (MAA6) 1. Laske ryhmän keski-ikä ja iän keskihajonta. Piirrä histogrammi. ikä (a) 11-15 frekvenssi 3 16-20 26 21-25 10 26-30 29 31-35 13 Ratkaisu: Luokkaan 11–15 kuuluvat ne, jotka ovat täyttäneet 11 mutta eivät vielä 16. Niinpä ensimmäisen luokan leveys on 5 ja luokkakeskus 13,5 vuotta. Vastaavat arvot saadaan muille luokille. Käytetään luokkakeskuksia 13,5; 18,5; 23,5; 28,5; 33,5; 38,5 ja 43,5. Keskiarvoksi tulee x ≈ 28,7 ja keskihajonnaksi σ ≈ 8,4 . 2. 36-40 19 41-45 8 f 25 20 15 10 5 11 16 21 26 31 36 41 46 a Tiedetään, että x ∼ N(0, 1). Määritä a) P ( x ≤ 1) , b) P ( x ≥ −1) , c) P (−0,2 < x < 0,4) . Ratkaisu: a) P ( x ≤ 1) = Φ(1) ≈ 0,8413 b) P ( x ≥ −1) = P ( x ≤ 1) ≈ 0,8413 c) P (−0,2 < x < 0,4) ≈ 0,6554 − 1 + 0,5793 = 0,2347 3. Yhtiössä on 80 työntekijää. Joka vuosi yhtiö järjestää arpajaiset, joissa 4 työntekijää voittaa etelänmatkan. Työntekijöistä seitsemän on suunnittelijoita. Millä todennäköisyydellä kaikki neljä voittajaa ovat suunnittelijoita? Ratkaisu: ⎛7⎞ ⎜ 4⎟ 35 1 P(kaikki voittajat suunnittelijoita) = ⎝ ⎠ = = ≈ 22 ⋅ 10 −6 80 ⎛ ⎞ 1 581 580 45 188 ⎜4⎟ ⎝ ⎠ © Lukion Calculus 3 4 4. Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut a) Häissä n henkilöä kättelee toinen toisiaan. Kuinka monta kättelyä suoritetaan? b) Kirjahyllyyn asetetaan umpimähkään kuusi erilaista romaania. Laske todennäköisyys sille, että kirjat ovat vasemmalta oikealle nimien mukaisessa aakkosjärjestyksessä. Ratkaisu: a) Tervehtijät muodostavat kahden henkilön osajoukkoja. Kättelyitä on 2-kombinaan! n( n − 1) n tioiden lukumäärä eli ⎛⎜ ⎞⎟ = . = 2 ⎝ 2 ⎠ 2!⋅( n − 2)! b) P(aakkosjärjestys) = 5. 1 1 1 1 1 1 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅1 = 6 5 4 3 2 720 Opiskelijan koulumatkalla on liikennevalot kolmessa risteyksessä. Liikennevalot on ohjelmoitu niin, että ensimmäisessä risteyksessä palaa jalankulkijoille punainen valo 65 %, toisessa 75 % ja kolmannessa 70 % ajasta. Oletetaan, että punaiset valot palavat toisistaan riippumatta. Millä todennäköisyydellä eräänä päivänä opiskelijan koulumatkalla ainakin yhdessä risteyksessä palaa punainen valo? Ratkaisu: P(ainakin yhdessä risteyksessä palaa punainen valo) = 1 – P(punainen ei pala missään risteyksessä) = 1 – 0,35 · 0,25 · 0,30 ≈ 0,97 . 6. Matematiikan opetusryhmässä on 17 poikaa ja 11 tyttöä. Kaksi opiskelijaa valitaan arvalla retkitoimikuntaan. Satunnaismuuttujana on toimikuntaan valittujen poikien lukumäärä. Muodosta todennäköisyysjakauma ja kertymäfunktio. Laske odotusarvo. Ratkaisu: Poikien lukumäärä x voi saada arvot 0, 1 ja 2. Vastaavat pistetodennäköisyydet ovat 11 10 55 17 11 187 17 16 136 68 , 2⋅ ⋅ ja . ⋅ = = ⋅ = = 28 27 378 28 27 378 28 27 378 189 Kertymäfunktio F(x) = 0, kun x < 0, F ( x) = 1 ≤ x < 2 , ja F(x) = 1, kun x ≥ 2 . Odotusarvo on E ( x) = 7. 55 242 , kun , kun 0 ≤ x < 1 , F ( x) = 378 378 55 187 136 3 ⋅0 + ⋅1 + ⋅ 2 = 1 ≈ 1,2 . 378 378 378 14 Suomalaisten naisten pituudet noudattavat likimain normaalijakaumaa niin, että keskipituus on 162 cm ja keskihajonta 6 cm. Kuinka paljon on yli 175-senttisiä naisia, kun 5,2 miljoonasta suomalaisesta on 51 prosenttia naisia? Ratkaisu: 175 − 162 ≈ 2,17) = 1 − P ( z ≤ 2,17) = 1 − Φ(2,17) ≈ 1 − 0,9850 6 = 0,015 . Suomalaisista on naisia 0,51 · 5 200 000 = 2 652 000 ja heistä pituudeltaan yli 175 cm 0,015 · 2652 000 = 39 780 ≈ 40 000. P ( x > 175) = P ( z > © Lukion Calculus 3 Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 8. 5 Eräs tiedonsiirtojärjestelmä välittää nollista ja ykkösistä koostuvia seitsemän merkin pituisia "sanoja". Satunnaisten, toisistaan riippumattomien häiriöiden vuoksi 0 vääristyy 1:ksi todennäköisyydellä 0,005, kun taas 1 vääristyy 0:ksi todennäköisyydellä 0,010. Mikä on todennäköisyys, että lähetetty sana 0010111 saapuu vastaanottimeen siten, että enintään yksi merkki on virheellinen? (yo-teht. K90/8) Ratkaisu: P(enintään yksi merkki virheellinen) = P(kaikki merkit oikein) + P(yksi 0 virheellinen ja kaikki 1:t oikein) + P(kaikki 0:t oikein ja yksi 1 virheellinen) ⎛ 3⎞ ⎛ 4⎞ = 0,995 3 ⋅ 0,99 4 + ⎜ ⎟ ⋅ 0,005 ⋅ 0,995 2 ⋅ 0,99 4 + 0,995 3 ⋅ ⎜ ⎟ ⋅ 0,01 ⋅ 0,99 3 ≈ 0,9988 ⎝1⎠ ⎝1⎠ Kertauskoe 2 (MAA6) 1. Lukion opiskelijoista saatiin seuraava taulukko: pituus (cm) 154 pojat f tytöt f 3 159 164 9 2 29 169 6 36 174 13 25 179 28 12 184 21 2 189 11 1 194 199 5 2 Määritä laskimella pituuksien keskiarvo ja keskihajonta a) pojille, b) tytöille. Ratkaisu: Luokan 150–154 keskus on 152 laskettuna näillä tai todellisilla ala- ja ylärajoilla. Muut luokkakeskukset ovat vastaavasti 157, 162, 167, 172, 177, 182, 187, 192 ja 197. a) pojat: x ≈ 179 cm, σ n ≈ 7,2 cm, σ n−1 ≈ 7,3 cm b) tytöt: x ≈ 167 cm, σ n ≈ σ n−1 ≈ 6,5 cm 2. Korttipakasta vedetään neljä korttia. Laske todennäköisyys, että ne kaikki ovat samaa maata. Ratkaisu: P(kaikki samaa maata) = 1 ⋅ 3. 12 11 10 44 ⋅ ⋅ = ≈ 0,011 . 51 50 49 4 165 Arvioi hehkulampun palamisajan kertymäfunktion kuvaajasta, millä todennäköisyydellä lamppu palaa a) enintään 750 tuntia, b) vähintään 1000 tuntia, c) 500 - 1250 tuntia. 1 500 1000 Ratkaisu: a) P ( x ≤ 750) = F (750) ≈ 0,5 b) P ( x ≥ 1 000) = 1 − P ( x < 1 000) = 1 − F (1 000 ) ≈ 1 − 0,6 = 0,4 c) P (500 < x < 1 250) = F (1 250) − F (500) ≈ 0,7 − 0,4 = 0,3 1500 2000 t h © Lukion Calculus 3 6 4. Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut Noppaa heitetään kuusi kertaa. Mikä on todennäköisyys sille, että a) viimeisellä heitolla tulee ensimmäinen kuutonen, b) viimeisellä heitolla tulee kolmas kuutonen? Ratkaisu: 5 ⎛5⎞ 1 a) P(viimeisellä heitolla tulee ensimmäinen kuutonen) = ⎜ ⎟ ⋅ ≈ 0,067 ⎝6⎠ 6 2 3 5 ⎛1⎞ ⎛5⎞ 1 b) P(viimeisellä heitolla tulee kolmas kuutonen) = ⎛⎜ ⎞⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⋅ ≈ 0,027 ⎝ 2⎠ ⎝ 6 ⎠ ⎝ 6 ⎠ 6 5. Yhtälön 4x + 2 = kx – 3 kerroin k määrätään nopanheitolla. Millä todennäköisyydellä yhtälön juuri on positiivinen? Ratkaisu: −5 −5 . Ehtona on, että > 0 , josta k > 4. 4−k 4−k Siis vain k:n arvot 5 ja 6 käyvät. Yhtälön juuri on positiivinen todennäköisyydellä 2 1 = . 6 3 Yhtälön 4x + 2 = kx – 3 ratkaisu on x = 6. Kahteentoista korttiin on kirjoitettu numerot niin, että kahdessa kortissa on numero 0, kolmessa numero 1, yhdessä numero 2, neljässä numero 3 ja kahdessa numero 4. Nostetaan umpimähkään kaksi korttia. Satunnaismuuttujana on saatujen numeroarvojen summa. Määritä todennäköisyysjakauma ja odotusarvo. Ratkaisu: Korttien numerot ovat 0, 0, 1, 1, 1, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4. Numeroiden summa x voi saada arvot 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ja 8. Seuraava taulukko sisältää todennäköisyysjakauman. x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 p 1 66 6 66 5 66 11 66 16 66 10 66 8 66 8 66 1 66 Esimerkiksi summa 3 tulee numeroista 1 ja 2 (3 valintatapaa) ja numeroista 0 ja 3 12 (8 valintatapaa). Valintatapoja kaikkiaan on ⎛⎜ ⎞⎟ = 66 . Vastaavasti summa 6 tulee ⎝2⎠ pareista 3 ja 3 (4 yli 2:n eli 6 valintatapaa) sekä pareista 2 ja 4 (2 valintatapaa). Odotusarvo on 1 6 5 11 16 10 8 8 1 1 E(x) = ⋅0 + ⋅1 + ⋅2+ ⋅3+ ⋅4+ ⋅5 + ⋅6+ ⋅7 + ⋅8 = 4 . 66 66 66 66 66 66 66 66 66 6 © Lukion Calculus 3 Todennäköisyys ja tilastot (MAA6) Pikatesti ja kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 7. 7 1 ⎧ ⎪kx + , kun 0 ≤ x ≤ 2, Määritä positiivinen vakio k niin, että funktio f(x) = ⎨ on jatku4 ⎪⎩0 muualla, van satunnaismuuttujan x tiheysfunktio. Piirrä tiheysfunktion kuvaaja ja laske toden1 1 näköisyys P ( ≤ x < 1 ) . 2 2 Ratkaisu: Ehto f ( x ) ≥ 0 toteutuu aina, sillä välillä [0, 2] on kx + 1 1 ≥ > 0 , koska oletuksen 4 4 mukaan k > 0. Muualla f(x) = 0. y 1 1 Koska f (0) = ja f (2) = 2k + , on kuvion puoli4 4 1 4 1 1 + 2k + x 2 4 ⋅ 2 . Tämä ala on 1, kun suunnikkaan ala 4 2 1 ⎧1 1 ⎪ x + , kun 0 ≤ x ≤ 2, k = , joten tiheysfunktio f ( x) = ⎨ 4 4 4 ⎪⎩0 muualla. 1 1 Todennäköisyys P ( ≤ x < 1 ) saadaan puolisuunnikkaan pinta-alana tiheysfunkti2 2 1 1 3 5 1 1 1 1 1 on kuvaajan alta: P ( ≤ x < 1 ) = ( f ( ) + f (1 )) ⋅ 1 = ( + ) ⋅ 1 = 2 2 2 2 8 8 2 2 2 8. Sijoittaja voi tallettaa pääoman 4,60 prosentin korolla koko vuodeksi tai 4,40 prosentin korolla puoleksi vuodeksi ja sitten kertyneen rahasumman p prosentin korolla lopuksi vuotta. Jos kaikki prosentit välillä [4,00; 4,90] ovat yhtä todennäköisiä, niin mikä on todennäköisyys sille, että jälkimmäinen tapa on edullisempi? (yo-teht. K95/7) Ratkaisu: Olkoon sijoitettava pääoma k. Kun pääoma sijoitetaan 4,60 prosentin korolla koko vuodeksi, se kasvaa arvoon 1,046k. Jos pääoma on 4,40 prosentin korolla puoli vuotp ⎞⎛ 4,40 ⎞ ⎛ ta ja lopun vuotta p:n prosentin korolla, se kasvaa arvoon ⎜1 + ⎟⎜1 + ⎟k = 200 ⎠ ⎝ 200 ⎠⎝ (1,022+0,00511p)k. Jälkimmäinen tapa on edullisempi, kun epäyhtälö 0,024 ≈ 4,697 . Toden(1,022 + 0,00511 p ) k > 1,046 k toteutuu. Näin käy, kun p > 0,00511 4,90 − 4,697 näköisyys on ≈ 0,23 . 4,90 − 4,00 © Lukion Calculus 3