某厂生产的灯泡使用寿命寿命 X sim N(2250, 250^2) 分布,现进行质量检查,方法如下:任意挑若干个灯泡,如果这些灯泡的平均寿命超过 2200h,就认为该厂生产的灯泡质量合格,若要使检查能通过的概率超过 0.997,问至少应检查多少个灯泡?
某厂生产的灯泡使用寿命寿命 $X \sim N(2250, 250^2)$ 分布,现进行质量检查,方法如下:任意挑若干个灯泡,如果这些灯泡的平均寿命超过 2200h,就认为该厂生产的灯泡质量合格,若要使检查能通过的概率超过 0.997,问至少应检查多少个灯泡?
题目解答
答案
我们来逐步分析并解答这个题目。
题目已知条件:
-
灯泡寿命 $ X \sim N(2250, 250^2) $
- 即总体服从正态分布,均值 $ \mu = 2250 $ 小时
- 标准差 $ \sigma = 250 $ 小时
-
质量检查方法:
- 随机抽取 $ n $ 个灯泡
- 计算样本平均寿命 $ \bar{X} $
- 如果 $ \bar{X} > 2200 $,则认为质量合格
-
要求:检查通过的概率 > 0.997
- 即 $ P(\bar{X} > 2200) > 0.997 $
-
问:至少应检查多少个灯泡?(即求最小的 $ n $)
解题步骤:
第1步:样本均值的分布
根据正态分布的性质,若总体 $ X \sim N(\mu, \sigma^2) $,则样本均值 $ \bar{X} $ 也服从正态分布:
$\bar{X} \sim N\left( \mu, \frac{\sigma^2}{n} \right) = N\left( 2250, \frac{250^2}{n} \right)$
即:
$\bar{X} \sim N\left( 2250, \frac{62500}{n} \right)$
第2步:标准化,求概率
我们要求:
$P(\bar{X} > 2200) > 0.997$
将其标准化。令:
$Z = \frac{\bar{X} - 2250}{\sigma / \sqrt{n}} = \frac{\bar{X} - 2250}{250 / \sqrt{n}}
\sim N(0,1)$
则:
$P(\bar{X} > 2200) = P\left( Z > \frac{2200 - 2250}{250 / \sqrt{n}} \right) = P\left( Z > \frac{-50}{250 / \sqrt{n}} \right) = P\left( Z > -\frac{\sqrt{n}}{5} \right)$
我们要求:
$P\left( Z > -\frac{\sqrt{n}}{5} \right) > 0.997$
第3步:利用标准正态分布表
我们记:
$P(Z > -a) > 0.997
\quad \text{其中} \quad a = \frac{\sqrt{n}}{5}$
由于标准正态分布对称,有:
$P(Z > -a) = P(Z < a) \quad \text{(因为对称性)}$
所以:
$P(Z < a) > 0.997$
查标准正态分布表,找使得 $ \Phi(a) > 0.997 $ 的最小 $ a $
我们知道:
- $ \Phi(2.75) \approx 0.9970 $
更精确地:
- $ \Phi(2.75) = 0.99702 $
- $ \Phi(2.74) \approx 0.99693 $
所以要使 $ \Phi(a) > 0.997 $,需:
$a > 2.75$
即:
$\frac{\sqrt{n}}{5} > 2.75
\quad \Rightarrow \quad \sqrt{n} > 13.75
\quad \Rightarrow \quad n > (13.75)^2 = 189.0625$
因此,最小的整数 $ n $ 满足 $ n \geq 190 $
答案:
$\boxed{190}$
结论:
为了使检查通过的概率超过 0.997(即灯泡平均寿命超过 2200 小时的概率大于 0.997),至少应检查 190 个灯泡。
解析
本题考查正态分布的性质以及标准正态分布的应用。解题的关键思路是先根据总体正态分布推出样本均值的分布,再将样本均值进行标准化处理,最后利用标准正态分布表来确定满足条件的样本数量。
- 确定样本均值的分布:
已知灯泡寿命$X \sim N(2250, 250^2)$,即总体均值$\mu = 2250$,总体标准差$\sigma = 250$。根据正态分布的性质,若总体$X \sim N(\mu, \sigma^2)$,从中抽取$n$个样本,则样本均值$\bar{X}$服从正态分布$\bar{X} \sim N\left( \mu, \frac{\sigma^2}{n} \right)$。
将$\mu = 2250$,$\sigma = 250$代入可得$\bar{X} \sim N\left( 2250, \frac{250^2}{n} \right)=N\left( 2250, \frac{62500}{n} \right)$。 - 对样本均值进行标准化:
令$Z = \frac{\bar{X} - \mu}{\sigma / \sqrt{n}}=\frac{\bar{X} - 2250}{250 / \sqrt{n}}$,则$Z$服从标准正态分布$N(0,1)$。
我们要求$P(\bar{X} > 2200) > 0.997$,将其标准化:
$\begin{align*}P(\bar{X} > 2200)&= P\left( \frac{\bar{X} - 2250}{250 / \sqrt{n}} > \frac{2200 - 2250}{250 / \sqrt{n}} \right)\\&= P\left( Z > \frac{-50}{250 / \sqrt{n}} \right)\\&= P\left( Z > -\frac{\sqrt{n}}{5} \right)\end{align*}$
所以$P\left( Z > -\frac{\sqrt{n}}{5} \right) > 0.997$。 - 利用标准正态分布的对称性:
由于标准正态分布关于$y$轴对称,所以$P(Z > -a)=P(Z < a)$,令$a = \frac{\sqrt{n}}{5}$,则$P(Z < a) > 0.997$。
查标准正态分布表,$\varPhi(2.75) \approx 0.9970$,$\varPhi(2.74) \approx 0.99693$,要使$\varPhi(a) > 0.997$,则$a > 2.75$。 - 求解样本数量$n$:
因为$a = \frac{\sqrt{n}}{5}$,所以$\frac{\sqrt{n}}{5} > 2.75$,两边同时乘以$5$得到$\sqrt{n} > 13.75$,两边再同时平方可得$n > 13.75^2 = 189.0625$。
由于$n$为灯泡个数,必须为整数,所以$n$取最小整数为$190$。