某高校数学系计划在周六和周日各举行一次主题不同的心理测试活动,分别由李老师和张老师负责,已知该系共有 $n$ 位学生,每次活动均需该系 $k$ 位学生参加($n$ 和 $k$ 都是固定的正整数).假设李老师和张老师分别将各自活动通知的信息独立、随机地发给该系 $k$ 位学生,且所发信息都能收到.记该系收到李老师或张老师所发活动通知信息的学生人数为 $X$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求该系学生甲收到李老师或张老师所发活动通知信息的概率;
    标注
    答案
    学生甲收到活动通知信息的概率为 $\dfrac{2kn-{{k}^{2}}}{{{n}^{2}}}$.
    解析
    题中“或”的情况较多,可以利用对立事件的知识,通过求学生甲没收到通知信息的概率来解答.因为事件 $ A $:“学生甲收到李老师所发信息”与事件 $ B $:“学生甲收到张老师所发信息”是相互独立的事件,所以 $ \overline{A} $ 与 $ \overline{B} $ 相互独立,由于\[ P\left(A\right)=P\left(B\right)=\dfrac{{\mathrm{C}}_{n-1}^{k-1}}{{\mathrm{C}}_{n}^{k}}=\dfrac{k}{n} ,\]故\[ P\left(\overline{A}\right)=P\left(\overline{B}\right)\overset {\left[a\right]}=1-\dfrac{k}{n}, \](推导中用到 $\left[a\right]$.)因此学生甲收到活动通知信息的概率\[ P\overset {\left[b\right]}=1-{{\left(1-\dfrac{k}{n}\right)}^{2}}=\dfrac{2kn-{{k}^{2}}}{{{n}^{2}}}. \](推导中用到 $\left[b\right]$.)
  2. 求使 $P\left( {X = m} \right)$ 取得最大值的整数 $m$.
    标注
    答案
    当 $ {{\left( k+1 \right)}^{2}} $ 能被 $ n+2 $ 整除时,$ P\left( X=m \right) $ 在 $ m=2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2} $ 和 $ m=2k+1-\dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2} $ 处取得最大值;
    当 $ {{\left( k+1 \right)}^{2}} $ 不能被 $ n+2 $ 整除时,$ P\left( X=m \right) $ 在 $ m=2k-\left[ \dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2} \right] $ 处取得最大值.(注 $ \left[ x \right] $ 表示不超过 $ x $ 的最大整数).
    解析
    由题意,要先研究随机变量 $ X$ 的取值范围,由于 $k\leqslant n$,故要分两类 $ k=n $ 和 $ k<n $ 进行讨论,$ k=n $ 时易求,$ k<n $ 时要研究出同时接受到两位老师信息的人数,然后再研究事件所包含的基本事件数,表示出 $P\left(X=m\right)$,最后根据其形式研究它取得最大值的整数 $m$ 即可.当 $ k=n $ 时,$ m $ 只能取 $ n $,有\[ P\left(X=m\right)=P\left(X=n\right)\overset {\left[c\right]}=1.\](推导中用到 $\left[c\right]$.)当 $ k<n $ 时,整数 $ m $ 满足 $ k\leqslant m\leqslant t $,其中 $ t $ 是 $ 2k $ 和 $ n $ 中的较小者.由于“李老师和张老师各自独立、随机地发活动通知信息给 $ k $ 位同学”所包含的基本事件总数为 $ \left({\mathrm{C}}_{n}^{k}\right)^{2} $.
    当 $ X=m $ 时,同时收到李老师和张老师转发信息的学生人数为 $ 2k-m $ 仅收到李老师或张老师转发信息的学生人数均为 $ m-k $.
    由乘法计数原理知:事件 $ \left\{ X=m \right\} $ 所包含基本事件件数为\[ {\mathrm{C}}_{n}^{k}{\mathrm{C}}_{k}^{2k-m}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m-k}={\mathrm{C}}_{n}^{k}{\mathrm{C}}_{k}^{m-k}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m-k} .\]此时,\[ P\left(X=m\right)\overset {\left[d\right]}=\dfrac{{\mathrm{C}}_{n}^{k}{\mathrm{C}}_{k}^{2k-m}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m-k}}{{{\left( {\mathrm{C}}_{n}^{k} \right)}^{2}}}=\dfrac{{\mathrm{C}}_{k}^{m-k}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m-k}}{{\mathrm{C}}_{n}^{k}}. \](推导中用到 $\left[d\right]$.)当 $ k\leqslant m<t $ 时,\[\begin{split} P\left(X=m\right)\leqslant P\left(X=m+1\right) & \Leftrightarrow {\mathrm{C}}_{k}^{m-k}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m-k}\leqslant {\mathrm{C}}_{k}^{m+1-k}{\mathrm{C}}_{n-k}^{m + 1-k} \\&
    \Leftrightarrow {{\left( m-k+1 \right)}^{2}}\leqslant \left( n-k \right)\left( 2k-m \right) \\& \Leftrightarrow m\leqslant 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}. \end{split}\]假如 $ k\leqslant 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}<t $ 成立,则
    当 $ {{\left( k+1 \right)}^{2}} $ 能被 $ n+2 $ 整除时,\[ k\leqslant 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}<2k+1-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}\leqslant t.\]故 $ P\left( X=m \right) $ 在 $ m=2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2} $ 和 $ m=2k+1-\dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2} $ 处取得最大值;
    当 $ {{\left( k+1 \right)}^{2}} $ 不能被 $ n+2 $ 整除时,$ P\left( X=m \right) $ 在 $ m=2k-\left[ \dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2} \right] $ 处取得最大值.(注 $ \left[ x \right] $ 表示不超过 $ x $ 的最大整数).
    下面用比较法证明 $ k\leqslant 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}<t $.
    因为 $ 1\leqslant k<n $,所以\[ \begin{split}2k-\dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2}-k & =\dfrac{kn-{{k}^{2}}-1}{n+2} \\&\geqslant \dfrac{k\left( k+1 \right)-{{k}^{2}}-1}{n+2} \\& =\dfrac{k-1}{n+2} \\& \geqslant 0. \end{split}\]而\[ 2k-\dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2}-n=-\dfrac{{{\left( n-k+1 \right)}^{2}}}{n+2}<0, \]故\[ 2k-\dfrac{{{\left( k+1 \right)}^{2}}}{n+2}<n ,\]显然 $ 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}<2k $,因此\[ k\leqslant 2k-\dfrac{{{\left(k+1\right)}^{2}}}{n+2}<t. \]
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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