甲乙两艘轮船驶向一个不能同时停泊两艘轮船的码头停泊,它们在同昼夜内到达的时刻是等可能的,如果甲船的停泊时间是 1 , (h),乙船的停泊时间是 2 , (h),求它们中的任何一艘都不需要等候码头空出的概率。
甲乙两艘轮船驶向一个不能同时停泊两艘轮船的码头停泊,它们在同昼夜内到达的时刻是等可能的,如果甲船的停泊时间是 $1 \, \text{h}$,乙船的停泊时间是 $2 \, \text{h}$,求它们中的任何一艘都不需要等候码头空出的概率。
题目解答
答案
我们来逐步分析并解决这个概率问题。
题目理解:
- 甲、乙两艘轮船在同一昼夜(24小时)内随机地到达一个码头。
- 码头只能停泊一艘船,不能同时停泊两艘。
- 甲船停泊时间为 1 小时,乙船停泊时间为 2 小时。
- 两船到达的时刻是等可能的,即在 24 小时(0 到 24)内独立且均匀分布。
- 问:它们中的任何一艘都不需要等候码头空出的概率是多少?
换句话说:两船的停泊时间不发生重叠的概率是多少?
解题思路:
这是一个几何概率问题。我们用坐标系中的点来表示两船到达的时刻。
设:
- 甲船到达时刻为 $ x $(单位:小时),$ x \in [0, 24] $
- 乙船到达时刻为 $ y $,$ y \in [0, 24] $
由于两船到达时间是独立且在 [0,24] 上均匀分布的,我们可以用单位正方形(实际上是 24×24 的正方形)上的点 $ (x, y) $ 表示所有可能的到达情况。
我们要计算的是:两船停泊时间不重叠的概率。
停泊时间不重叠的条件:
- 甲船占用时间区间:$ [x, x+1] $
- 乙船占用时间区间:$ [y, y+2] $
两船不需要等待,意味着它们的停泊时间不重叠。
即两个区间 无交集:
$[x, x+1] \cap [y, y+2] = \emptyset$
这等价于:
- 要么甲船在乙船之前离开,即:$ x+1 \leq y $
- 要么乙船在甲船之前离开,即:$ y+2 \leq x $
所以,不重叠的条件是:
$x + 1 \leq y \quad \text{或} \quad y + 2 \leq x$
几何概率模型:
在 $ xy $-平面上,考虑正方形区域 $ [0,24] \times [0,24] $,总面积为:
$S_{\text{total}} = 24 \times 24 = 576$
我们要求满足 $ x+1 \leq y $ 或 $ y+2 \leq x $ 的区域面积,记为 $ S_{\text{no overlap}} $,然后概率为:
$P = \frac{S_{\text{no overlap}}}{576}$
我们分别计算这两个区域的面积。
1. 区域 A:$ x + 1 \leq y $,即 $ y \geq x + 1 $
这是在直线 $ y = x + 1 $ 上方的区域,且在正方形 $ [0,24]^2 $ 内。
这条直线从点 $ (0,1) $ 到 $ (23,24) $,然后在 $ x > 23 $ 时,$ y = x+1 > 24 $,超出范围。
所以,这个区域是一个梯形或可以看作正方形减去下方三角形。
更简单的方法:计算 $ y \geq x + 1 $ 在正方形内的面积。
这个区域是正方形中位于直线 $ y = x + 1 $ 上方的部分。
类似地,我们可以计算其面积:
- 在 $ x \in [0, 23] $ 时,$ y $ 从 $ x+1 $ 到 24,长度为 $ 24 - (x+1) = 23 - x $
- 在 $ x \in [23, 24] $ 时,$ x+1 \geq 24 $,所以 $ y \geq x+1 $ 要求 $ y \geq >24 $,不可能,面积为 0
所以面积为:
$A_1 = \int_0^{23} (24 - (x+1)) \, dx = \int_0^{23} (23 - x) \, dx = \left[23x - \frac{x^2}{2}\right]_0^{23} = 23 \times 23 - \frac{23^2}{2} = 529 - \frac{529}{2} = \frac{529}{2} = 264.5$
2. 区域 B:$ y + 2 \leq x $,即 $ x \geq y + 2 $
这是在直线 $ x = y + 2 $ 右侧的区域。
类似地,$ x \geq y + 2 $,即 $ y \leq x - 2 $
- 当 $ x \in [2, 24] $ 时,$ y $ 从 0 到 $ x - 2 $,长度为 $ x - 2 $
- 当 $ x \in [0, 2) $ 时,$ x - 2 < 0 $,$ y \leq x - 2 $ 不可能(因为 $ y \geq 0 $),面积为 0
所以面积为:
$A_2 = \int_2^{24} (x - 2) \, dx = \left[\frac{(x-2)^2}{2}\right]_2^{24} = \frac{(24-2)^2}{2} - 0 = \frac{22^2}{2} = \frac{484}{2} = 242$
总不重叠区域面积:
$S_{\text{no overlap}} = A_1 + A_2 = 264.5 + 242 = 506.5$
注意:这两个区域没有重叠,因为不可能同时满足 $ y \geq x+1 $ 和 $ x \geq y+2 $,否则:
$ x \geq y+2 \geq (x+1)+2 = x+3 $,即 $ x \geq x+3 $,矛盾。
所以两个区域互斥,可以直接相加。
概率计算:
$P = \frac{506.5}{576}$
化为分数:
$ 506.5 = \frac{1013}{2} $,所以
$P = \frac{1013/2}{576} = \frac{1013}{1152}$
我们也可以写成小数近似:
$\frac{1013}{1152} \approx 0.8793$
最终答案:
$\boxed{\frac{1013}{1152}}$
即,两艘船都不需要等候码头空出的概率为 $ \boxed{\dfrac{1013}{1152}} $。
总结:
- 使用几何概率模型,将两船到达时间表示为平面上的点。
- 停泊时间不重叠的条件转化为区域 $ y \geq x+1 $ 或 $ x \geq y+2 $。
- 计算这两个区域的面积并求和,除以总面积得到概率。
- 最终结果为 $ \boxed{\dfrac{1013}{1152}} $。
解析
考查要点:本题属于几何概率问题,考查学生对连续型概率模型的理解,以及如何将实际问题转化为几何区域面积的计算能力。
解题核心思路:
- 模型构建:将两船到达时间视为二维平面上的点,构成$24 \times 24$的正方形区域。
- 条件转化:两船停泊时间不重叠的条件转化为两个不相交的区域($y \geq x+1$或$x \geq y+2$)。
- 面积计算:分别计算满足条件的区域面积,求和后除以总面积得到概率。
破题关键点:
- 正确划分不重叠条件:明确两船停泊时间区间无交集的两种情况。
- 几何区域的积分计算:注意积分上下限的确定,避免超出定义域。
设甲船到达时间为$x$小时,乙船到达时间为$y$小时,$x, y \in [0, 24]$。两船停泊时间不重叠的条件为:
- 甲船先离开:$x + 1 \leq y$(即乙船到达时甲已离开)。
- 乙船先离开:$y + 2 \leq x$(即甲船到达时乙已离开)。
区域A:$y \geq x + 1$
- 积分范围:当$x \in [0, 23]$时,$y$从$x+1$到$24$,面积为:
$A_1 = \int_0^{23} (24 - (x+1)) \, dx = \int_0^{23} (23 - x) \, dx = 264.5$
区域B:$x \geq y + 2$
- 积分范围:当$x \in [2, 24]$时,$y$从$0$到$x-2$,面积为:
$A_2 = \int_2^{24} (x - 2) \, dx = 242$
总概率计算
满足条件的总面积为$A_1 + A_2 = 506.5$,概率为:
$P = \frac{506.5}{24 \times 24} = \frac{1013}{1152}$