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现有甲、乙两个盒子中都有大小、形状、质地相同的 2 个红球和 1 个黑球. 从两个盒子中各取一个球交换,记为一次操作. 重复进行 n(n∈N∗) 次操作后,记甲盒子中黑球个数为 Xn, 甲盒中恰有 1 个黑球的概率为 an, 恰有 2 个黑球的概率为 bn.

  1. 求随机变量 X1 的分布列;
  2. 求数列 {an} 的通项公式;
  3. 求证: ∑i=1n6−10ai9aiai+1<95.
解答

初始状态时 x0=1, 因此根据对称性,甲盒中任何时刻,有 0,2 个黑球的概率都相等.

  1. 解 P(X1=0)=13×23=29, 因此 P(X1=2)=29,P(X1=1)=1−2×29=49,因此 X1 的分布列为

    X1 0 1 2
    P 29 59 29
  2. 解 由递推关系和概率基本关系{an+2bn=1,bn=13×23an−1+13bn−1,
    消去 bn 得An=−19an−1+23⇒an−35=−19(an−1−35),
    这说明 {an−35} 是以 a1−35=−245 为首项,−19 为公比的等比数列,从而an−35=25⋅(−19)n⇒an=35+25⋅(−19)n.

  3. 证明 代入 an, 且简记 q=−19,则有6−10ai9aiai+1=−4qi9(35+25qi)(35+25qi+1)=−4(−910)(qi+1−qi)9(35+25qi)(35+25qi+1)=(35+25qi+1)−(35+25qi)(35+25qi)(35+25qi+1)=135+25qi−135+25qi+1,
    从而∑i=1n6−10ai9aiai+1=135+25q−135+25qn+1<135+25q=95.