设 $A,B,C,D$ 是空间四个不共面的点,以 $\dfrac 12$ 的概率在每对点之前连一条边,任意两对点之间是否连边是相互独立的,则 $A,B$ 可用空间折线(一条或若干条边组成的)连接的概率为 .
【难度】
【出处】
2014年全国高中数学联赛(一试)
【标注】
【答案】
$\dfrac 34$
【解析】
考虑反面:
法一 以 $B,C$ 与 $B,D$ 是否连边分情况讨论.
① 若 $B,C$ 与 $B,D$ 都不连边,则一定满足情况,所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\dfrac 12=\dfrac 18;$$② 若 $B,C$ 与 $B,D$ 都连边,那么 $A,C$ 与 $A,D$ 都不连边,所求概率为$$\left(\dfrac 12\right)^5=\dfrac 1{32};$$③ 若 $B,C$ 与 $B,D$ 恰有一组连边,不妨考虑 $B,C$ 连边,$B,D$ 不连边,则 $A,C$ 不连边,且 $C,D$ 与 $A,D$ 不同时连边即可,所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\dfrac 12\times \dfrac 12\times\left(1-\dfrac 14\right)=\dfrac {3}{64}.$$所以 $A,B$ 不能用空间折线连接的概率为$$\dfrac 18+\dfrac 1{32}+2\times\dfrac {3}{64}=\dfrac 14.$$从而所求概率为 $1-\dfrac 14=\dfrac 34$.
法二 按 $C,D$ 是否连边分两种情况讨论:
① 若 $C,D$ 不连边,则满足条件的有三种情况:$A,D$,$B,D$,$A,C$ 与 $B,C$ 都不连边;仅有一组连边;或有两组连边,但 $A,D$ 与 $B,D$ 不同时连边,$A,C$ 与 $B,C$ 不同时连边均可.
故所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\left[\left(\dfrac 12\right)^4+{\rm C}_4^1\times\left(\dfrac 12\right)^4+{\rm C}_2^1\times{\rm C}_2^1\times\left(\dfrac 12\right)^4\right]=\dfrac 9{64}.$$② 若 $C,D$ 连边,也有三种情况:$A,D$,$B,D$,$A,C$,$B,C$ 全不连边;或只有一组连边,或有两组连边,但两组连边为 $AD,AC$ 或 $BC,BD$.
所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\left[\dfrac {1}{16}+{\rm C}_4^3\times\left(\dfrac 12\right)^4+2\times\left(\dfrac 12\right)^4\right]=\dfrac {7}{64}.$$从而 $A,B$ 不能用折线连接的概率为$$\dfrac 9{64}+\dfrac 7{64}=\dfrac 14,$$所求概率为 $1-\dfrac 14=\dfrac 34$.

① 若 $B,C$ 与 $B,D$ 都不连边,则一定满足情况,所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\dfrac 12=\dfrac 18;$$② 若 $B,C$ 与 $B,D$ 都连边,那么 $A,C$ 与 $A,D$ 都不连边,所求概率为$$\left(\dfrac 12\right)^5=\dfrac 1{32};$$③ 若 $B,C$ 与 $B,D$ 恰有一组连边,不妨考虑 $B,C$ 连边,$B,D$ 不连边,则 $A,C$ 不连边,且 $C,D$ 与 $A,D$ 不同时连边即可,所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\dfrac 12\times \dfrac 12\times\left(1-\dfrac 14\right)=\dfrac {3}{64}.$$所以 $A,B$ 不能用空间折线连接的概率为$$\dfrac 18+\dfrac 1{32}+2\times\dfrac {3}{64}=\dfrac 14.$$从而所求概率为 $1-\dfrac 14=\dfrac 34$.
① 若 $C,D$ 不连边,则满足条件的有三种情况:$A,D$,$B,D$,$A,C$ 与 $B,C$ 都不连边;仅有一组连边;或有两组连边,但 $A,D$ 与 $B,D$ 不同时连边,$A,C$ 与 $B,C$ 不同时连边均可.
故所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\left[\left(\dfrac 12\right)^4+{\rm C}_4^1\times\left(\dfrac 12\right)^4+{\rm C}_2^1\times{\rm C}_2^1\times\left(\dfrac 12\right)^4\right]=\dfrac 9{64}.$$② 若 $C,D$ 连边,也有三种情况:$A,D$,$B,D$,$A,C$,$B,C$ 全不连边;或只有一组连边,或有两组连边,但两组连边为 $AD,AC$ 或 $BC,BD$.
所求概率为$$\dfrac 12\times\dfrac 12\times\left[\dfrac {1}{16}+{\rm C}_4^3\times\left(\dfrac 12\right)^4+2\times\left(\dfrac 12\right)^4\right]=\dfrac {7}{64}.$$从而 $A,B$ 不能用折线连接的概率为$$\dfrac 9{64}+\dfrac 7{64}=\dfrac 14,$$所求概率为 $1-\dfrac 14=\dfrac 34$.
题目
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