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21概率与统计★★★★★
为治疗某种疾病,研制了甲、乙两种新药,希望知道哪种新药更有效,为此进行动物试验. 试验方案如下:每一轮选取两只白鼠对药效进行对比试验. 对于两只白鼠,随机选一只施以甲药,另一只施以乙药. 一轮的治疗结果得出后,再安排下一轮试验. 当其中一种药治愈的白鼠比另一种药治愈的白鼠多 44 只时,就停止试验,并认为治愈只数多的药更有效. 为了方便描述问题,约定:对于每轮试验,若施以甲药的白鼠治愈且施以乙药的白鼠未治愈则甲药得 11 分,乙药得 −1-1 分;若施以乙药的白鼠治愈且施以甲药的白鼠未治愈则乙药得 11 分,甲药得 −1-1 分;若都治愈或都未治愈则两种药均得 00 分. 甲、乙两种药的治愈率分别记为 α\alpha 和 β\beta,一轮试验中甲药的得分记为 XX.
(1) 求 XX 的分布列; (2) 若甲药、乙药在试验开始时都赋予 44 分,pip_i(i=0i=0,11,⋯\cdots,88)表示“甲药的累计得分为 ii 时,最终认为甲药比乙药更有效”的概率,则 p0=0p_0=0,p8=1p_8=1,pi=api−1+bpi+cpi+1p_i=ap_{i-1}+bp_i+cp_{i+1}(i=1i=1,22,⋯\cdots,77),其中 a=P(X=−1)a=P(X=-1),b=P(X=0)b=P(X=0),c=P(X=1)c=P(X=1). 假设 α=0.5\alpha=0.5,β=0.8\beta=0.8.
(i) 证明:{pi+1−pi}\{p_{i+1}-p_i\}(i=0i=0,11,22,⋯\cdots,77)为等比数列; (ii) 求 p4p_4,并根据 p4p_4 的值解释这种试验方案的合理性.

2019 · 全国 · 一卷 · 理 · 第 21 题 · 解答题

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21导数及其应用★★★★★
设函数 f(x)=x2−ax+bf(x) = x^{2} - ax + b.
(1) 讨论函数 f(sin⁡x)f(\sin x) 在 (−π2,π2)\left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) 内的单调性并判断有无极值. 有极值时求出极值; (2) 记 f0(x)=x2−a0x+b0f_{0}(x) = x^{2} - a_{0}x + b_{0},求函数 ∣f(sin⁡x)−f0(sin⁡x)∣|f(\sin x) - f_{0}(\sin x)| 在 [−π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right] 上的最大值 DD; (3) 在上一问中,取 a0=b0=0a_0 = b_0 = 0,求 z=b−a24z = b - \frac{a^2}{4} 满足 D⩽1D \leqslant 1 时的最大值.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设 h(x)=f(sin⁡x)=sin⁡2x−asin⁡x+bh(x)=f(\sin x)=\sin^2x-a\sin x+b. 则
h′(x)=(2sin⁡x−a)cos⁡xh'(x)=(2\sin x-a)\cos x
在给定区间内 cos⁡x>0\cos x>0,所以单调性由 2sin⁡x−a2\sin x-a 的符号决定.
当 a⩽−2a\leqslant-2 时,对任意 x∈(−π2,π2)x\in(-\frac\pi2,\frac\pi2),有 2sin⁡x−a>02\sin x-a>0,故 h(x)h(x) 单调递增且无极值. 当 a⩾2a\geqslant2 时,有 2sin⁡x−a<02\sin x-a<0,故 h(x)h(x) 单调递减且无极值. 当 −2<a<2-2<a<2 时,方程 2sin⁡x−a=02\sin x-a=0 在区间内有唯一解 x0=arcsin⁡a2x_0=\arcsin\frac a2,函数先减后增,在 x0x_0 处取得极小值
h(x0)=(a2)2−a⋅a2+b=b−a24h(x_0)=\left(\frac a2\right)^2-a\cdot\frac a2+b=b-\frac{a^2}{4}
\item 令 t=sin⁡xt=\sin x,则 t∈[−1,1]t\in[-1,1],并且
f(t)−f0(t)=−(a−a0)t+(b−b0)f(t)-f_0(t)=-(a-a_0)t+(b-b_0)
因此
D=max⁡−1⩽t⩽1∣−(a−a0)t+(b−b0)∣=max⁡{∣b−b0−(a−a0)∣,∣b−b0+(a−a0)∣}D=\max_{-1\leqslant t\leqslant1}|-(a-a_0)t+(b-b_0)| =\max\{|b-b_0-(a-a_0)|,|b-b_0+(a-a_0)|\}
根据 max⁡{∣u−v∣,∣u+v∣}=∣u∣+∣v∣\max\{|u-v|,|u+v|\}=|u|+|v|,得到
D=∣a−a0∣+∣b−b0∣D=|a-a_0|+|b-b_0|
\item 此时 D=∣a∣+∣b∣⩽1D=|a|+|b|\leqslant1. 于是
z=b−a24⩽b⩽∣b∣⩽1−∣a∣⩽1z=b-\frac{a^2}{4}\leqslant b\leqslant|b|\leqslant1-|a|\leqslant1
取 a=0a=0,b=1b=1 时 D=1D=1,且 z=1z=1,所以 zz 的最大值为 11. \end{enumerate} \end{solution}

2015 · 安徽 · 理 · 第 21 题 · 解答题

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15平面向量★★★★★
已知两个不相等的非零向量 a\boldsymbol{a},b\boldsymbol{b},两组向量 x1\boldsymbol{x}_{1},x2\boldsymbol{x}_{2},x3\boldsymbol{x}_{3},x4\boldsymbol{x}_{4},x5\boldsymbol{x}_{5} 和 y1\boldsymbol{y}_{1},y2\boldsymbol{y}_{2},y3\boldsymbol{y}_{3},y4\boldsymbol{y}_{4},y5\boldsymbol{y}_{5} 均由 2 个 a\boldsymbol{a} 和 3 个 b\boldsymbol{b} 排列而成,记 S=x1⋅y1+x2⋅y2+x3⋅y3+x4⋅y4+x5⋅y5S = \boldsymbol{x}_{1} \cdot \boldsymbol{y}_{1} + \boldsymbol{x}_{2} \cdot \boldsymbol{y}_{2} + \boldsymbol{x}_{3} \cdot \boldsymbol{y}_{3} + \boldsymbol{x}_{4} \cdot \boldsymbol{y}_{4} + \boldsymbol{x}_{5} \cdot \boldsymbol{y}_{5}. Smin⁡S_{\min} 表示 SS 所有可能取值中的最小值. 则下列命题正确的是______. (写出所有正确命题的编号)
① SS 有 5 个不同的值; ② 若 a⊥b\boldsymbol{a} \perp \boldsymbol{b},则 Smin⁡S_{\min} 与 ∣a∣|\boldsymbol{a}| 无关; ③ 若 a∥b\boldsymbol{a} \parallel \boldsymbol{b},则 Smin⁡S_{\min} 与 ∣b∣|\boldsymbol{b}| 无关; ④ 若 ∣b∣>4∣a∣|\boldsymbol{b}| > 4|\boldsymbol{a}|,则 Smin⁡>0S_{\min} > 0; ⑤ 若 ∣b∣=2∣a∣|\boldsymbol{b}| = 2|\boldsymbol{a}|,Smin⁡=8∣a∣2S_{\min} = 8|\boldsymbol{a}|^2,则 a\boldsymbol{a} 与 b\boldsymbol{b} 的夹角为 π4\frac{\pi}{4}.
\begin{solution} 把每个向量的五个分量看作五个位置. 设 MM 是所有五对 (xi,yi)(\boldsymbol{x}_i,\boldsymbol{y}_i) 中两个对应分量同时为 a\boldsymbol{a} 的位置总数. 因为五个 xi\boldsymbol{x}_i 中共有 1010 个 a\boldsymbol{a} 分量,所以在 xi\boldsymbol{x}_i 中为 a\boldsymbol{a}、而在 yi\boldsymbol{y}_i 中为 b\boldsymbol{b} 的位置共有 10−M10-M 个;同理,在 xi\boldsymbol{x}_i 中为 b\boldsymbol{b}、而在 yi\boldsymbol{y}_i 中为 a\boldsymbol{a} 的位置也有 10−M10-M 个. 再由五对向量共有 2525 个对应位置,两个分量均为 b\boldsymbol{b} 的位置数为 5+M5+M.
因此 S=M∣a∣2+2(10−M)a⋅b+(5+M)∣b∣2=5∣b∣2+20a⋅b+M∣a−b∣2S=M\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2}+2(10-M)\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}+(5+M)\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}+20\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}+M\lvert\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\rvert^{2}. 因 a≠b\boldsymbol{a}\neq\boldsymbol{b},有 ∣a−b∣2>0\lvert\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\rvert^{2}>0. 每一对向量中两个 a\boldsymbol{a} 的位置交集可有 00,11,22 个;五对向量的排列彼此独立,因此取若干对使交集分别为 22,至多再取一对使交集为 11,其余取 00,即可使总数 MM 取得 00 到 1010 的每一个整数. 因而 SS 实际有 1111 个不同的值,命题 \circled1\circled{1} 错误,且 Smin⁡=5∣b∣2+20a⋅bS_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}+20\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}.
若 a⊥b\boldsymbol{a}\perp\boldsymbol{b},则 Smin⁡=5∣b∣2S_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2},与 ∣a∣\lvert\boldsymbol{a}\rvert 无关,命题 \circled2\circled{2} 正确. 若 a∥b\boldsymbol{a}\parallel\boldsymbol{b},则 a⋅b=±∣a∣∣b∣\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=\pm\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert,所得 Smin⁡=5∣b∣2±20∣a∣∣b∣S_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}\pm20\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert 仍与 ∣b∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert 有关,命题 \circled3\circled{3} 错误. 若 ∣b∣>4∣a∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert>4\lvert\boldsymbol{a}\rvert,由柯西不等式得 Smin⁡⩾5∣b∣2−20∣a∣∣b∣=5∣b∣(∣b∣−4∣a∣)>0S_{\min}\geqslant5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}-20\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert(\lvert\boldsymbol{b}\rvert-4\lvert\boldsymbol{a}\rvert)>0,命题 \circled4\circled{4} 正确. 若 ∣b∣=2∣a∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert=2\lvert\boldsymbol{a}\rvert 且 Smin⁡=8∣a∣2S_{\min}=8\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2},则 a⋅b=−35∣a∣2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=-\dfrac35\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2},从而夹角余弦为 −310-\dfrac{3}{10},不等于 cos⁡π4\cos\dfrac{\pi}{4},命题 \circled5\circled{5} 错误. 所以正确命题的编号为 \circled2\circled{2}\circled4\circled{4},故填 \circled2\circled4\circled{2}\circled{4}. \end{solution}

2014 · 安徽 · 理 · 第 15 题 · 填空题

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