题目
2.(10分)计算器在进行数值计算时,对小数点后第一位四舍五入。假定所有舍入误差相互独立且在(-0.5,0.5)上服从均匀分布。求1200个数相加时误差总和的绝对值小于10的概率。(Φ(1)=0.8413)
2.(10分)计算器在进行数值计算时,对小数点后第一位四舍五入。假定所有舍入误差相互独立且在(-0.5,0.5)上服从均匀分布。求1200个数相加时误差总和的绝对值小于10的概率。
(Φ(1)=0.8413)
题目解答
答案
设每个舍入误差 $X_i$ 在 $(-0.5, 0.5)$ 上服从均匀分布,期望 $E(X_i) = 0$,方差 $D(X_i) = \frac{1}{12}$。总误差 $S = \sum_{i=1}^{1200} X_i$ 的期望 $E(S) = 0$,方差 $D(S) = 1200 \times \frac{1}{12} = 100$。由中心极限定理,$S$ 近似服从 $N(0, 100)$。
标准化得 $Z = \frac{S}{10} \sim N(0, 1)$,求 $P(|S| < 10) = P(-1 < Z < 1)$。利用标准正态分布表,$\Phi(1) = 0.8413$,故
\[ P(-1 < Z < 1) = 2[\Phi(1) - 0.5] = 2 \times (0.8413 - 0.5) = 0.6826. \]
**答案:** $\boxed{0.6826}$
解析
考查要点:本题主要考查中心极限定理的应用、正态分布近似计算以及均匀分布的性质。
解题思路:
- 确定单个误差的分布:每个舍入误差服从均匀分布,计算其期望和方差。
- 总误差的分布:利用中心极限定理,将独立同分布的误差和近似为正态分布。
- 标准化与概率计算:将总误差标准化为标准正态分布,结合已知的Φ(1)值求解概率。
关键点:
- 均匀分布的方差公式:$D(X) = \frac{(b-a)^2}{12}$。
- 中心极限定理的应用条件及正态分布参数的计算。
- 标准正态分布的对称性:利用Φ(1)快速计算区间概率。
步骤1:确定单个误差的分布参数
每个舍入误差 $X_i$ 在 $(-0.5, 0.5)$ 上服从均匀分布:
- 期望:$E(X_i) = \frac{-0.5 + 0.5}{2} = 0$。
- 方差:$D(X_i) = \frac{(0.5 - (-0.5))^2}{12} = \frac{1}{12}$。
步骤2:计算总误差的分布参数
总误差 $S = \sum_{i=1}^{1200} X_i$:
- 期望:$E(S) = 1200 \times 0 = 0$。
- 方差:$D(S) = 1200 \times \frac{1}{12} = 100$,标准差为 $\sqrt{100} = 10$。
- 近似分布:由中心极限定理,$S \sim N(0, 100)$。
步骤3:标准化与概率计算
将 $S$ 标准化为 $Z = \frac{S - E(S)}{\sqrt{D(S)}} = \frac{S}{10}$,则 $Z \sim N(0, 1)$。
要求 $P(|S| < 10)$,即:
$P(-10 < S < 10) = P\left(-1 < \frac{S}{10} < 1\right) = P(-1 < Z < 1).$
利用标准正态分布性质:
$P(-1 < Z < 1) = \Phi(1) - \Phi(-1) = 2[\Phi(1) - 0.5] = 2 \times (0.8413 - 0.5) = 0.6826.$