题目
卡车装运水泥,设每袋水泥重量X(以公斤计)服从N(50,2(.5)^2),问最多装多少袋水泥使总重量超过2000的概率不大于0.05.
卡车装运水泥,设每袋水泥重量$X($以公斤计$)$服从$N(50,2{.5}^{2})$,问最多装多少袋水泥使总重量超过$2000$的概率不大于$0.05$.
题目解答
答案

解析
本题考查正态分布的性质以及独立同分布的中心极限定理的应用。解题的关键思路是先根据已知条件确定每袋水泥重量的分布,再利用独立同分布的性质求出总重量的分布,最后结合概率要求建立不等式求解。
- 确定每袋水泥重量的分布:
已知每袋水泥重量$X$服从$N(50,2.5^{2})$,即$X\sim N(50,2.5^{2})$,设至多能装运$n$袋水泥,各袋水泥的重量分别为$X_1,X_2,\cdots,X_n$,则$X_i\sim N(50,2.5^{2})$,$i = 1,2,\cdots,n$。 - 计算总重量的期望和方差:
卡车所装运水泥的总重量$W = X_1 + X_2 + \cdots + X_n$。
因为$X_1,X_2,\cdots,X_n$相互独立,根据期望和方差的性质:若$X_i$相互独立,$E(X_i)=\mu$,$D(X_i)=\sigma^2$,则$E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=n\mu$,$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=n\sigma^2$。
这里$\mu = 50$,$\sigma^2 = 2.5^{2}$,所以$E(W)=50n$,$D(W)=2.5^{2}n$,那么$W\sim N(50n,2.5^{2}n)$。 - 根据概率要求建立不等式:
按题意$n$需满足$P\{W\gt 2000\} \leq 0.05$。
为了计算$P\{W\gt 2000\}$,我们对$W$进行标准化,令$Z=\frac{W - E(W)}{\sqrt{D(W)}}=\frac{W - 50n}{2.5\sqrt{n}}$,则$Z\sim N(0,1)$。
所以$P\{W\gt 2000\}=P\left\{\frac{W - 50n}{2.5\sqrt{n}}\gt\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}}\right\}=1 - \varPhi\left(\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}}\right)$,其中$\varPhi(z)$是标准正态分布$N(0,1)$的分布函数。
由$P\{W\gt 2000\} \leq 0.05$可得$1 - \varPhi\left(\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}}\right) \leq 0.05$,即$\varPhi\left(\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}}\right) \geq 0.95$。
查标准正态分布表可知$\varPhi(1.645)=0.95$,所以$\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}} \geq 1.645$。 - 求解不等式:
设$\sqrt{n}=t$($t\gt0$),则不等式$\frac{2000 - 50n}{2.5\sqrt{n}} \geq 1.645$可化为$\frac{2000 - 50t^2}{2.5t} \geq 1.645$。
不等式两边同时乘以$2.5t$得$2000 - 50t^2 \geq 1.645\times2.5t$,即$50t^2 + 4.1125t - 2000 \leq 0$。
对于一元二次方程$at^2 + bt + c = 0$($a = 50$,$b = 4.1125$,$c = -2000$),其求根公式为$t=\frac{-b\pm\sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$。
则$t=\frac{-4.1125\pm\sqrt{4.1125^2 - 4\times50\times(-2000)}}{2\times50}$。
先计算$\sqrt{4.1125^2 - 4\times50\times(-2000)}=\sqrt{16.91265625 + 400000}=\sqrt{400016.91265625}\approx632.47$。
所以$t_1=\frac{-4.1125 + 632.47}{100}\approx6.2836$,$t_2=\frac{-4.1125 - 632.47}{100}\lt0$(舍去)。
因为$t=\sqrt{n}\leq6.2836$,两边同时平方得$n\leq6.2836^2\approx39.483$。
由于$n$为袋数,必须为整数,所以$n$至多取$39$。