利用中心极限定理确定当投掷一枚均匀硬币时,需投掷多少次才能保证使得正面出现的频率在0.4到0.6之间的概率不小于90%
利用中心极限定理确定当投掷一枚均匀硬币时,需投掷多少次才能保证使得正面出现的频率在0.4到0.6之间的概率不小于90%
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查中心极限定理的应用,以及如何利用正态分布解决实际概率问题。关键在于将二项分布的频率问题转化为正态分布的标准化处理。
解题核心思路:
- 确定分布参数:投掷硬币服从二项分布,均值和方差分别为$np$和$np(1-p)$,频率的均值为$p$,方差为$\frac{p(1-p)}{n}$。
- 标准化处理:利用中心极限定理,将频率的分布近似为正态分布,计算标准化后的$Z$值。
- 确定临界值:根据题目要求的概率90%,找到对应的$Z$临界值,建立不等式求解$n$。
破题关键点:
- 正确应用中心极限定理,将二项分布转化为正态分布。
- 准确计算标准化后的$Z$值,并结合标准正态分布表确定临界值。
- 解不等式求最小整数$n$,确保概率不小于90%。
步骤1:设定变量与分布参数
设投掷次数为$n$,正面出现次数$X$服从二项分布$B(n, 0.5)$。频率为$\hat{p} = \frac{X}{n}$,其均值为$\mu = 0.5$,方差为$\sigma^2 = \frac{0.5 \times 0.5}{n} = \frac{0.25}{n}$,标准差$\sigma = \frac{0.5}{\sqrt{n}}$。
步骤2:标准化处理
要求$\hat{p}$落在$[0.4, 0.6]$的概率不小于90%,即:
$P\left(0.4 \leq \hat{p} \leq 0.6\right) \geq 0.9$
标准化后:
$P\left(\frac{0.4 - 0.5}{\frac{0.5}{\sqrt{n}}} \leq Z \leq \frac{0.6 - 0.5}{\frac{0.5}{\sqrt{n}}}\right) = P\left(-0.2\sqrt{n} \leq Z \leq 0.2\sqrt{n}\right) \geq 0.9$
步骤3:确定临界值
查标准正态分布表,概率90%对应双侧临界值$Z_{\alpha/2} = 1.645$,因此:
$0.2\sqrt{n} \geq 1.645 \quad \Rightarrow \quad \sqrt{n} \geq \frac{1.645}{0.2} = 8.225$
步骤4:求解$n$
平方得:
$n \geq (8.225)^2 \approx 67.65$
取最小整数$n = 68$。