11【单选题】某种电器元件的寿命服从均值为100小时的指数分布,现在随机的抽取16只,设它们的寿命是相互独立的,则这16只元件寿命总和大于1920小时的概率是()A. Phi(0.8)B. 2Phi(0.8)-1C. Phi(1)D. 1-Phi(0.8)
A. $\Phi(0.8)$
B. $ 2\Phi(0.8)-1$
C. $\Phi(1)$
D. $ 1-\Phi(0.8)$
题目解答
答案
解析
本题考查指数分布的性质、独立同分布的中心极限定理以及正态分布概率的计算。解题思路如下:
- 首先明确指数分布的期望和方差公式,根据已知条件求出单个电器元件寿命的期望和方差。
- 然后利用独立同分布的中心极限定理,得到$16$只元件寿命总和近似服从的正态分布。
- 最后将所求概率转化为标准正态分布的概率进行计算。
步骤一:求单个电器元件寿命的期望和方差
设第$i$个电器元件的寿命为$X_i$($i = 1,2,\cdots,16$),已知$X_i$服从均值为$100$小时的指数分布,即$X_i\sim E(100)$。
对于指数分布$X\sim E(\lambda)$,其期望$E(X)=\frac{1}{\lambda}$,方差$D(X)=\frac{1}{\lambda^2}$。
由$E(X_i)=100=\frac{1}{\lambda}$,可得$\lambda = \frac{1}{100}$,那么方差$D(X_i)=\frac{1}{\lambda^2}=100^2 = 10000$。
步骤二:求$16$只元件寿命总和的期望和方差
设$16$只元件寿命总和为$Y=\sum_{i = 1}^{16}X_i$。
根据期望和方差的性质:若$X_1,X_2,\cdots,X_n$相互独立,则$E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)$,$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)$。
所以$E(Y)=E(\sum_{i = 1}^{16}X_i)=\sum_{i = 1}^{16}E(X_i)=16\times100 = 1600$,$D(Y)=D(\sum_{i = 1}^{16}X_i)=\sum_{i = 1}^{16}D(X_i)=16\times10000 = 160000$。
步骤三:根据中心极限定理确定$Y$近似服从的正态分布
由独立同分布的中心极限定理可知,当$n$充分大时(本题$n = 16$),$\sum_{i = 1}^{n}X_i$近似服从正态分布$N(n\mu,n\sigma^2)$,其中$\mu$为单个随机变量的期望,$\sigma^2$为单个随机变量的方差。
所以$Y=\sum_{i = 1}^{16}X_i$近似服从正态分布$N(1600,160000)$。
步骤四:计算$P(Y\gt1920)$
将$Y$进行标准化,令$Z=\frac{Y - E(Y)}{\sqrt{D(Y)}}=\frac{Y - 1600}{\sqrt{160000}}=\frac{Y - 1600}{400}$,则$Z$近似服从标准正态分布$N(0,1)$。
$P(Y\gt1920)=1 - P(Y\leq1920)=1 - P(\frac{Y - 1600}{400}\leq\frac{1920 - 1600}{400})$
$=1 - P(Z\leq\frac{320}{400})=1 - P(Z\leq0.8)$
因为标准正态分布的分布函数为$\varPhi(z)=P(Z\leq z)$,所以$P(Y\gt1920)=1 - \varPhi(0.8)$。