확률과 통계확률분포수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

이항분포 분산 최솟값

문제

이산확률변수 XX는 이항분포 B(120,1121)\displaystyle B ( 120 , \frac{1}{121} )을 따른다. 함수 f(x)=k=0120(xak)2P(X=k)\displaystyle f ( x ) = \sum\limits _{k = 0} ^{120} ( x - ak ) ^{2} P ( X = k )의 최솟값이 11이 되도록 하는 양수 aa에 대하여 120a120 a의 값을 구하시오. [4점]

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121121

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해설

X\mathrm{X}가 이항분포 B(120,1121)\displaystyle \mathrm{B} \left( 120 , \frac{1}{121} \right)을 따르므로 m=E(X)=k=0120kP(X=k)=120×1121=120121\displaystyle m = \mathrm{E} ( \mathrm{X} ) = \sum\limits _{{k} = 0} ^{120} k \cdot \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) = 120 \times \frac{1}{121} = \frac{120}{121} V(X)=k=0120k2P(X=k)m2=120×1121×120121=12021212\displaystyle \mathrm{V} ( \mathrm{X} ) = \sum\limits _{{k} = 0} ^{120} k ^{2} \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) - m ^{2} = 120 \times \frac{1}{121} \times \frac{120}{121} = \frac{120 ^{2}}{121 ^{2}} f(x)=k=0120(x22axk+a2k2)P(X=k)\displaystyle \begin{aligned} f ( x ) & = \sum\limits _{k = 0} ^{120} ( x ^{2} - 2 ax k + a ^{2} k ^{2} ) \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) \end{aligned} =x22axk=0120kP(X=k)+a2k=0120k2P(X=k)\displaystyle = x ^{2} - 2 ax \sum\limits _{k = 0} ^{120} k \cdot \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) + a ^{2} \sum\limits _{k = 0} ^{120} k ^{2} \cdot \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) =x22amx+a2k=0120k2P(X=k)\displaystyle = x ^{2} - 2 am x + a ^{2} \sum\limits _{k = 0} ^{120} k ^{2} \cdot \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) =(xam)2+a2(k=0120k2P(X=k)m2)\displaystyle = ( x - am ) ^{2} + a ^{2} \left( \sum\limits _{k = 0} ^{120} k ^{2} \cdot \mathrm{P} ( \mathrm{X} = k ) - m ^{2} \right) =(xam)2+12021212a2\displaystyle = ( x - am ) ^{2} + \frac{120 ^{2}}{121 ^{2}} a ^{2} 함수f(x)f ( x )x=amx = am일 때, 최솟값 12021212a2\displaystyle \frac{120 ^{2}}{121 ^{2}} a ^{2} 이다. 12021212a2=1\displaystyle \therefore \frac{120 ^{2}}{121 ^{2}} a ^{2} = 1에서 a=121120(a>0)\displaystyle a = \frac{121}{120} ( a > 0 ) 120a=121\therefore 120 a = 121

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