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数学
题目

从区间(0,1)内任取两数,求这两个数的积小于(1)/(4)的概率。

从区间$(0,1)$内任取两数,求这两个数的积小于$\frac{1}{4}$的概率。

题目解答

答案

我们来解决这个概率问题:

题目:从区间 $(0,1)$ 内任取两个数,求这两个数的积小于 $\frac{1}{4}$ 的概率。

第一步:理解题意

从区间 $(0,1)$ 中独立且均匀地任取两个数,记为 $x$ 和 $y$,即:

  • $x \in (0,1)$,$y \in (0,1)$,
  • $x$ 和 $y$ 服从 $(0,1)$ 上的均匀分布,且相互独立。

我们要求的是概率:
$P(xy < \frac{1}{4})$

第二步:转化为几何概率问题

由于 $x$ 和 $y$ 都在 $(0,1)$ 内,我们可以将所有可能的 $(x, y)$ 看作单位正方形 $(0,1) \times (0,1)$ 内的点。

这个单位正方形的面积是 1。

我们要求的是满足 $xy < \frac{1}{4}$ 的区域在这个正方形中所占的面积,即:
$P = \iint_{\{(x,y)\in(0,1)^2 \mid xy < \frac{1}{4}\}} dx\,dy$

第三步:分析区域 $xy < \frac{1}{4}$

我们考虑曲线 $xy = \frac{1}{4}$,即 $y = \frac{1}{4x}$。

在单位正方形 $(0,1) \times (0,1)$ 中,这条双曲线将区域分成两部分:

  • 当 $xy < \frac{1}{4}$:在双曲线下方;
  • 当 $xy > \frac{1}{4}$:在双曲线上方。

我们关心的是 $xy < \frac{1}{4}$ 的面积。

注意:当 $x$ 很小时,$\frac{1}{4x}$ 会大于 1,此时 $y = \frac{1}{4x} > 1$,但 $y$ 最大只能是 1,所以我们需要找到双曲线 $y = \frac{1}{4x}$ 与 $y=1$ 的交点。

令 $y = 1 = \frac{1}{4x}$,解得:
$x = \frac{1}{4}$

同理,当 $x < \frac{1}{4}$ 时,$\frac{1}{4x} > 1$,所以在 $x \in (0, \frac{1}{4})$ 时,对任意 $y \in (0,1)$,都有 $xy < x \cdot 1 < \frac{1}{4}$,即整个竖直条带 $x \in (0, \frac{1}{4})$ 都满足 $xy < \frac{1}{4}$。

而当 $x \in [\frac{1}{4}, 1)$ 时,只有当 $y < \frac{1}{4x}$ 时,才满足 $xy < \frac{1}{4}$。

第四步:分段积分计算面积

我们将满足 $xy < \frac{1}{4}$ 的区域分为两部分:

1. 当 $0 < x \leq \frac{1}{4}$:

对于这些 $x$,任意 $y \in (0,1)$ 都满足 $xy < \frac{1}{4}$,所以这部分面积是:
$\int_0^{1/4} \int_0^1 dy\,dx = \int_0^{1/4} 1\,dx = \frac{1}{4}$

2. 当 $\frac{1}{4} < x < 1$:

此时要求 $y < \frac{1}{4x}$,且 $y > 0$,所以这部分面积是:
$\int_{1/4}^1 \int_0^{1/(4x)} dy\,dx = \int_{1/4}^1 \frac{1}{4x}\,dx$

计算这个积分:
$\int_{1/4}^1 \frac{1}{4x}\,dx = \frac{1}{4} \int_{1/4}^1 \frac{1}{x}\,dx = \frac{1}{4} [\ln x]_{1/4}^1 = \frac{1}{4} (\ln 1 - \ln \frac{1}{4}) = \frac{1}{4} (0 - (-\ln 4)) = \frac{1}{4} \ln 4$

而 $\ln 4 = \ln(2^2) = 2\ln 2$,所以:
$\frac{1}{4} \ln 4 = \frac{1}{4} \cdot 2\ln 2 = \frac{1}{2} \ln 2$

第五步:总面积(即概率)

将两部分面积相加:
$P = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} \ln 2$

第六步:数值近似(可选)

$\ln 2 \approx 0.6931$,所以:
$P \approx 0.25 + 0.5 \times 0.6931 = 0.25 + 0.34655 = 0.59655$

即大约 59.66% 的概率。

最终答案:

$\boxed{\frac{1}{4} + \frac{1}{2} \ln 2}$

这就是从 $(0,1)$ 中任取两数,其积小于 $\frac{1}{4}$ 的概率。

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