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题目

4.某种电器有100个独立的电源可供使用,每个电源的寿命服从均值为10h的指数分布,求这些电器的使用总寿命大于1200h的概率.

4.某种电器有100个独立的电源可供使用,每个电源的寿命服从均值为10h的指数分布,求这些电器的使用总寿命大于1200h的概率.

题目解答

答案

为了求解100个独立的电源的总寿命大于1200小时的概率,我们需要使用中心极限定理。每个电源的寿命服从均值为10小时的指数分布,首先,我们确定每个电源的方差。对于指数分布 $ \text{Exp}(\lambda) $,其均值 $ \mu = \frac{1}{\lambda} $ 和方差 $ \sigma^2 = \frac{1}{\lambda^2} $。因此,对于均值为10小时的指数分布,我们有 $ \lambda = \frac{1}{10} $,方差 $ \sigma^2 = \frac{1}{\left(\frac{1}{10}\right)^2} = 100 $。 设 $ X_i $ 为第 $ i $ 个电源的寿命,那么 $ X_i $ 的均值 $ \mu = 10 $ 小时,方差 $ \sigma^2 = 100 $ 小时^2。100个电源的总寿命 $ S $ 为 $ S = X_1 + X_2 + \cdots + X_{100} $。根据中心极限定理,当 $ n $ 足够大时, $ S $ 近似服从正态分布 $ N(n\mu, n\sigma^2) $。这里 $ n = 100 $,所以 $ S $ 近似服从 $ N(1000, 10000) $。 我们要求 $ P(S > 1200) $。首先,将 $ S $ 标准化为标准正态变量 $ Z $: \[ Z = \frac{S - n\mu}{\sqrt{n\sigma^2}} = \frac{S - 1000}{\sqrt{10000}} = \frac{S - 1000}{100} \] 于是, $ P(S > 1200) $ 变为: \[ P\left(\frac{S - 1000}{100} > \frac{1200 - 1000}{100}\right) = P(Z > 2) \] 根据标准正态分布表, $ P(Z \leq 2) \approx 0.9772 $,因此: \[ P(Z > 2) = 1 - P(Z \leq 2) \approx 1 - 0.9772 = 0.0228 \] 所以,这些电器的使用总寿命大于1200小时的概率为: \[ \boxed{0.0228} \]

解析

本题考查中心极限定理的应用。解题思路如下:

  1. 首先明确每个电源寿命服从指数分布,根据指数分布的性质求出其均值和方差。
  2. 设$X_i$为第$i$个电源的寿命,$i = 1,2,\cdots,100$,那么$100$个电源的总寿命$S=\sum_{i = 1}^{100}X_i$。
  3. 由于$n = 100$足够大,根据中心极限定理,$S$近似服从正态分布$N(n\mu,n\sigma^2)$,其中$\mu$是单个电源寿命的均值,$\sigma^2$是单个电源寿命的方差。
  4. 求出$S$近似服从的正态分布的参数,然后将$S$标准化为标准正态变量$Z$。
  5. 最后根据标准正态分布表计算$P(S>1200)$。

具体解析如下:

  • 步骤一:求单个电源寿命的方差
    已知每个电源的寿命服从均值为$10h$的指数分布,对于指数分布$\text{Exp}(\lambda)$,其均值$\mu=\frac{1}{\lambda}$,方差$\sigma^2=\frac{1}{\lambda^2}$。
    因为$\mu = 10$,所以$\lambda=\frac{1}{10}$,则方差$\sigma^2=\frac{1}{(\frac{1}{10})^2}=100$。
  • 步骤二:确定总寿命$S$近似服从的正态分布
    设$X_i$为第$i$个电源的寿命,$i = 1,2,\cdots,100$,$100$个电源的总寿命$S=\sum_{i = 1}^{100}X_i$。
    根据中心极限定理,当$n = 100$足够大时,$S$近似服从正态分布$N(n\mu,n\sigma^2)$,将$n = 100$,$\mu = 10$,$\sigma^2 = 100$代入可得$S$近似服从$N(100\times10,100\times100)=N(1000,10000)$。
  • 步骤三:将$S$标准化为标准正态变量$Z$
    标准化公式为$Z=\frac{S - n\mu}{\sqrt{n\sigma^2}}$,将$n = 100$,$\mu = 10$,$\sigma^2 = 100$代入可得:
    $Z=\frac{S - 1000}{\sqrt{10000}}=\frac{S - 1000}{100}$
  • 步骤四:计算$P(S>1200)$
    $P(S>1200)=P\left(\frac{S - 1000}{100}>\frac{1200 - 1000}{100}\right)=P(Z > 2)$
    根据标准正态分布的性质$P(Z > 2)=1 - P(Z\leq2)$,查标准正态分布表可得$P(Z\leq2)\approx0.9772$,则$P(Z > 2)=1 - 0.9772 = 0.0228$。

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