在幾何概型中,事件A的概率計(jì)算公式為 ,
根據(jù)筆者的理解,其中D、d是指空間形式(如線段、射線、直線、角、平面圖形、立體圖形等)所表示的區(qū)域,測(cè)度是指度量區(qū)域所得到的數(shù)量(如長(zhǎng)度、角度、面積、體積等)。在幾何概形中,每個(gè)基本事件可視為從區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取一點(diǎn),區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)被取到的機(jī)會(huì)都一樣。因此D的測(cè)度就是所有等可能基本事件相應(yīng)區(qū)域的數(shù)量,d的測(cè)度就是包含A的等可能基本事件相應(yīng)區(qū)域的數(shù)量。
在解幾何概型問(wèn)題時(shí),最容易犯以下兩種錯(cuò)誤:(1)選取的空間形式表示的區(qū)域不符合題意;(2)基本事件在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)不等可能出現(xiàn)。而且不易辨析。如王波鳳對(duì)例1的求解是這樣評(píng)析的:
例1,已知直線l過(guò)點(diǎn)E(-1,0),l與圓C:(x-1)2+y2=3相交于A、B兩點(diǎn),則弦AB≥2的概率為 。
解法一:如圖1,設(shè)直線l方程為y=k(x+1),代入(x-1)2+y2=3,得(k2+1)x2+2(k2-1)x+k2-2=0,因?yàn)閘與ΘC相交于A、B兩點(diǎn),所以△=4(k2-1)2-4(k2+1)(k2-2)>0,解得 …(1)。
因?yàn)閳A的半徑 ,所以弦長(zhǎng)AB≥2時(shí),圓心C到
直線l的距離d≤ ,即 ≤ ,解得-1≤k≤1…(2)。
由幾何概型可知,事件M為直線l與圓C相交弦長(zhǎng)AB≥
2的概率P(M)= 。
另一部分學(xué)生認(rèn)為這道題應(yīng)該用直線的傾斜角來(lái)算。
解法二:前面部分同解法一,得到(1)、(2)兩式后,根
據(jù)斜率與直線傾斜角的關(guān)系,得到P(M)= 。
到底哪種方法正確呢?通過(guò)分析,這道題的試驗(yàn)是過(guò)定點(diǎn)作直線,用傾斜角是均勻的,而斜率不能均勻,不滿足等可能性。如斜率為1的直線已經(jīng)在第一象限的角平分線了,這樣前一種方法就錯(cuò)了。
筆者認(rèn)為以上評(píng)析有三點(diǎn)需要糾正。其一,解法二不能稱“用直線的傾斜角來(lái)算”,因?yàn)閮A斜角的范圍是[0°,180°),而應(yīng)該改成“用以射線EC為始邊,以射線EA為終邊所形成的角”來(lái)算。其二,“斜率為1的直線已經(jīng)在第一象限的角平分線了”,也只有在直線已經(jīng)過(guò)原點(diǎn)時(shí)才能這樣說(shuō)。其三,解法一用直線的斜率作為所表示區(qū)域,王波鳳認(rèn)為“斜率不能均勻,不滿足等可能性?!保鋵?shí)例1中直線l的斜率可以這樣理解:
如圖2,令圓C與x軸正半軸相交于D,過(guò)D點(diǎn)的圓C的切線為DF。在x軸上方設(shè)過(guò)E點(diǎn)的直線l與DF相交與G
點(diǎn)。因?yàn)樾甭?,所以DG=kED=(2+ )k,這就是
說(shuō)根據(jù)斜率k,在DF上可以截得確定的線段長(zhǎng)DG;反過(guò)來(lái),在x軸上方的DF上截取確定的線段長(zhǎng),就能得到唯一相應(yīng)的斜率k。根據(jù)對(duì)稱性,在x軸下方也有類似的情況。也就是說(shuō),直線l的斜率可由切線DF上所取的G點(diǎn)來(lái)確定,而G點(diǎn)在DF上是等可能出現(xiàn)的,因此例1中用直線l的斜率作基本事件相應(yīng)的區(qū)域是滿足等可能性的。
圖1 圖2
解法一錯(cuò)誤的真正原因,應(yīng)該是選取的空間形成的區(qū)域不符合題意。因?yàn)楦鶕?jù)題意,直線l應(yīng)該由過(guò)E點(diǎn)與射線EC成不同的角而得到,并不是在圓C的切線DF上取不同的點(diǎn)而得到。所以糾正后的解法二是正確的。
下面的問(wèn)題提醒我們要注意幾何概型問(wèn)題的另一類錯(cuò)誤。
例2,如圖3中,給定兩個(gè)平面向量 和 ,它們的夾角為120°,點(diǎn)C在以O(shè)為圓心的圓弧AB上,且 (其中x、y∈R),則滿足x+y≥ 的概率為 。
解法一:在圖3中,過(guò)C點(diǎn)分別作OA、OB的平行線CD、CE。設(shè)∠AOC=θ(θ∈[0°,120°])。令圓O的半徑為1,在△COE和△COD中,用正弦定理分別得x=OE=
, , [sinθ+sin(120°-
θ)]=2cos(θ-60°)。
因?yàn)?°≤θ≤120°,所以-60°≤θ-60°≤60°,于是x+y∈
[1,2],所以滿足x+y≥ 的概率為 。
圖3 圖4
錯(cuò)因分析:
由解法一,已得x+y=2cos(θ-60°),且-60°≤θ-60°≤60°。要否定“基本事件是等可能出現(xiàn)的”,只要舉出一個(gè)反
例就夠了。例如:當(dāng) 時(shí), ,于是
得θ-60°=-30°或θ-60°=30°,即θ=30°或θ=90°,這時(shí)AB弧上有兩點(diǎn)F、G與 對(duì)應(yīng);當(dāng)x+y=2時(shí),cos(θ-60°)=1,于是得θ-60°=0°,即θ=60°。這時(shí)AB弧上只有一點(diǎn)H與x+y=2對(duì)應(yīng)。如圖4。這說(shuō)明用x+y作為空間形式相應(yīng)的區(qū)域,基本事件是不等可能出現(xiàn)的,解法一是錯(cuò)誤的。