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有趣的高中數學-青蛙蹦蹦跳,孰是孰非?懇請賜告
2010/09/20 05:59:08瀏覽1968|回應19|推薦61

兩種解答好像都很合理,可是只有一種是對的.那個才是對的?

仁人君子若知答案,還請賜告.

錯者錯在何處?懇請賜教.


問題:有一青蛙,每次固定跳一公尺.問任意跳兩次之後,距原出發點一公尺之內的機率是多少?

有下列兩種解法,答案分別為三分之一及四分之一.孰是孰非?


第一個答案:三分之一

青蛙跳一次,所有可能的落點形成一個圓圈,半徑一公尺.
 

取圓上任一點,再跳一次,形成第二個圓圈,半徑仍為一公尺.紅弧部份距原出發點(即左圓中心)不到一公尺,弧長是圓周的三分之一,亦即第二次跳時,有三分之一的機會離原出發點不到一公尺,答案為三分之一.




第二個答案:四分之一


跳一次,形成一個圓圈,此圈的半徑為一.再跳一次,等於是在此圈上再畫一個半徑為一的圓圈,所有可能落點(亦即圓上「每一點」再畫一個半徑為一的圓.上面答案是圓上「一點」再畫一個圓,而非圓上每一點再畫一個圓.)形成一個實心圓(下圖灰色區加白色區.).因跳兩次之故,此圓的半徑為二.不超過原點一公尺的部份,即大圓裡的白色小圓,半徑為一,面積為大圓面積的四分之一,答案為四分之一.


究竟那個答案才對呢?三分之一或四分之一?錯者錯於何處?仁人君子若知答案,還請賜告.

原先高中試題是青蛙跳三次,跳兩次大概只能算初中試題.我連初中試題都作不出來.嗚!嗚!嗚!
( 知識學習科學百科 )
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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=junk200&aid=3818592

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田英奇
等級:8
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第一跳的結果不影響第二跳
2016/09/01 15:52

我教大二的統計學多年(也好久沒教了),雖然其實我懂得也很粗淺,但是應付大二統計學也足夠了。我甚至覺得書上的條件機率寫得不太好,所以特別鑽研了一下。

條件機率一般寫做p(B|A),即A事件發生之後,B事件發生的機率,若A, B獨立,則p(B|A)=p(B),也就是說無論A事件是否發生,都不影響B事件發生的機率。

跳兩次的題目裡,A事件就是第一跳的落點,因為是一個全對稱的圓周,因此無論跳到哪個位置,均在此圓周之上,故不影響B事件(第二跳的位置)。

跳三次就難了,因為第二跳的位置,等於以第一跳的圓周上之點為新圓心做圓,在新圓周上的位置顯然與第三跳結果與原點的距離相關。舉例而言,第一跳的位置為(1, 0),第二跳的結果形成一個新圓周,最遠點為(2, 0),若以此點開始第三跳,落點距原點小於一的機率為0;而最近點為(0, 0),以此點開始第三跳,距原點小於一的機率是100%,而其他諸點,越接近最遠點機率越低,越接近最近點機率越高。因此這個題目必須以積分解,若是沒有形式解,就要用數值積分。這些東西我已經丟光了,況且若這是高中題目,一定不至於那麼複雜。

最近我要重新複習國中高中數學,無他,怕兒子女兒數學不好,得私下補習一下。看到這些以前很熟悉的東西,現在都忘光了,實在很慚愧。

田英奇


田英奇
等級:8
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應該還是1/3
2016/08/31 02:51

零度有點聰明過頭,第一跳後的位置必定落在圓周上,因此可能是(1,0),也可能是(-1,0),(0,1),(0,-1),因此極座標(我也N年沒用了)的圓周以(cosx,sinx)表示,x為0時就是(1,0),x為180(即pie)時即為(-1,0),圓周上每一點的機率相同。

因此,選定任何一點進行第二跳的時候,其結果的機率相同,因此不存在條件機率的問題。比如第一跳的結果是(-1,0),則原式的結果最後是cosx>1/2,則x必須介於0~60或180~240之間,合計仍為120度,仍佔360之1/3也。

田英奇

【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-31 23:28 回覆:

你真行。極座標多年沒用,仍記得。我也是多年沒用,不過,早忘光了。哈!哈!哈!

剛上網惡補了一下,重溫舊夢,才記起一點。

我也認為第一跳無論跳到何處,都一樣。


零度
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(1+cosX)²+sin²X<1
2016/08/31 00:02
天哪,您這麼一問,我才發覺大錯特錯了。(1+cosX)²+sin²X<1 的意思是青蛙跳到座標(1,0)的位置以後,又跳回半徑為1的圓圈內內。推算出來的積率1/3其實只是條件積率。如果青蛙的第一跳如果不是(1,0),第二跳的落點就不限於圓弧上的點,所以面積解1/4應該才是對的。第一個答案用弧形來求解,犯了和我同樣的錯誤,那只是已知第一跳落點時的條件積率而已。


但願沒有其他破綻了,請您不吝指教

卸妝後, 回歸于零之國度
【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-31 23:06 回覆:

我以為第一跳是否跳到(1,0)並不重要。因為圓是對稱的,不論跳到那一點,都一樣。故無論跳到那一點,都可以假設是跳到(1,0)。所以妳並沒錯。

用通式來表示,第一跳跳到(X,(1-X^2)^1/2),產生一個直角三角形⊿OXY,O是圓心 (0,0),Y=(1-X^2)^1/2。因為對稱的關係,我們可以任意轉座標軸。把X軸轉到與OY重疊,(X,(1-X^2)^1/2)就變成了(1,0)。

希望妳能看懂我的意思。文字有其侷限。明明很簡單的事,以文字描述,竟變得很複雜。


零度
等級:8
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2016/08/30 18:41
跳兩次時,我的算法是這樣的

(1+cosX)²+sin²X<1
1+cos²X+2cosX + (1-cos²X)<1
2+2cosX < 1
cosX < -1/2
120° < X < 240°

故機率為 1/3 (=120/360)
【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-30 20:44 回覆:

佩服!佩服!我是用比較簡單的幾何算出來的。

請問式一從何而來?

【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-31 23:34 回覆:

再說一下,我從來沒想過用這種方式來算。

相同題目,有多種解法。見到他人以沒想過的方法來解,受益不淺。


零度
等級:8
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2016/08/30 18:38
經學長這麼一介紹,有點不好意思承認跳四次時是我想錯了。青蛙的落點是在同一平面上,所以計算面積應該就可以了,不需要去考慮球形的體積。

田英奇
等級:8
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極座標
2016/08/30 15:04

順帶說一下,跳兩次的解答,零度是以極座標解出來的,非常簡單,我會請她把做法貼上,以更臻完整。

此外,零度說跳四次的話,是半徑一的球體體積除上半徑四的球體體積,故答案為1/64,我還在想為什麼。

田英奇

【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-30 19:32 回覆:
記得高中數學曾教過極座標,可是,這輩子未曾用過那玩意兒。如果要極座標來解,我只能投降。

田英奇
等級:8
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學妹報到:)
2016/08/30 14:55

樓下的零度,是台大法律系高材生,對數學很有興趣,這題目是我告訴她的。

零度的年紀,大概是大哥的一半:)後生可畏,厲害吧!

田英奇

【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-30 19:24 回覆:

啥?唸法律的,居然數學強過唸理工的?從未料到會碰上這種事。雖說理論上是有這種可能,可一直以為機率很小,不會碰上。

佩服!佩服!


零度
等級:8
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2016/08/30 09:57
其實這個問題直接用面積來解就好了,跳三次的範圍是半徑為3的圓形,面積是9pi, 落在半徑為1的範圍內,面積就是1pi, 所以機率是1/9

那為什麼跳兩次時,就不可以用面積解,得到機率1/4的答案呢?這是因為第二跳的落點是弧線,並不是半徑為2的圓形內任意一點!!

如果跳四次呢???
【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2016-08-30 11:45 回覆:

高手。大家都一眼即看出第一個答案才正確,只有我混混噩噩,老搞不清楚。

照妳這簡便方法,那跳四次的話,機率就是十六分之一。


盹龜雞~ 五月23日 科隆主教大教堂
等級:8
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青蛙很可愛 ~
2010/10/12 13:08

可是數學問題  很機車 , 也很傷腦筋 .

誰說青蛙一定乖乖聽話  規律跳啊 ? 它亂跳不行喔 ?

【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2010-10-12 19:21 回覆:
哈!哈!數學老師太過理想,沒料到青蛙會不聽話.

止善
等級:8
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Any progresses yet?
2010/09/29 06:09
After simplification, the distance between the landing position after three jumps from the origin could be expressed as follows:

d = [2 * r^2 * ( cos ( theta1 - theta2 ) + cos ( theta2 - theta3) ) ] ^ (1/2)

The actual manipulation yields:

P( | v1 + v2 + v3 | <= r ) = P( [2*( cos ( theta1 -  theta2 ) + cos ( theta2 -  theta3) ) ] ^ (1/2) < = 1 )

The natural conditions for thea1, theta2, and theta3 are to keep the squared root portion in the above calculation to be greater than 0.

In the case of two jumps, the above probability calculation can be simplified to:

P( | v1 + v2 | <= r ) = P( [2* cos ( theta1 - theta2 )  ] ^ (1/2) <= 1 )

The inequality inside the Probability expression could be further simplified to

P ( 0  <=  cos (theta1 - theta2) <= 1/2 ) for all possible values of theta1 and theta2. The inner inequality imposes a relationship between theta1 and theta2, which is their difference must be between 60 degrees and 90 degrees, or between 270 degree and 300 degrees. (Some problem I have solving this inequality, it should match with the red arc in your diagram of the upper solution)

However, in case of three jumps, the relationship among theta1, theta2, theta3 is a little messy.

This is as far as I can go for now. Hope you are making better progresses.
【無★言】雲遊到世界的另一端(junk200) 於 2010-09-29 19:09 回覆:
多謝止善兄不厭其煩,一再解說.我的數學程度有限,仍在傷腦筋,希望一星期內可以解出.再次感謝.
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