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数学中的等效性与对称性不仅体现在几何和函数中, 还体现在概率问题中. 已知一个不透明的罐子中有编号分别为 1,2,3,⋯,2n 的 2n 个小球 (n≥2), 除编号外, 小球的大小、质地完全相同. 现从中一次性随机摸出 k 个小球.

  1. 若 n=4,k=3, 求这 k 个小球编号两两不相邻的概率;
  2. 记 X,Y 分别为摸出的这 k 个小球的最大、最小编号, 求 E(X+Y);
  3. 若 k=n, 记 Δ 表示摸出小球的最大最小编号之差, Δ~ 表示未摸出小球的最大最小编号之差, 记 Pn(A)=P(Δ=Δ~), 证明 Pn(A)>16(1−14n−2).
解答

  1. 解 记 3 个小球编号为 1≤a1<a2<a3≤8, 且满足 a2−a1≥2, a3−a2≥2. 记 b1=a1, b2=a2−1, b3=a3−2, 则 1≤b1<b2<b3≤6,b2−b1≥1,b3−b2≥1. 所以满足条件的 (b1,b2,b3) 有 C63 组, 所以概率为 C63C83=514.

  2. 解 根据对称性, k 个小球中最小值为 i 和最大值为 2n+1−i 的概率相等, 也即 P(X=i)=P(Y=2n+1−i). 所以 E[X]=∑i=12niP(X=i)=∑i=12niP(Y=2n+1−i)=∑j=12n(2n+1−j)P(Y=j)=(2n+1)∑j=12nP(Y=j)−∑j=12njP(Y=j)=2n+1−E[Y]. 同理 E[Y]=2n+1−E[X]. 所以 E[X]+E[Y]=4n+2−E[X]−E[Y]⇒E(X+Y)=2n+1.

  3. 证明 沿用 2 中的 X,Y, 并分别记未摸出的 n 个球中的最大、最小编号为 X~,Y~. 则 2n 必来自 X,X~, 1 必来自 Y,Y~, 且 2n,1 不能同时出现在摸出/未摸出的集合中(否则 Δ≠Δ~). 所以只能有 (X,Y~)=(2n,1) 或 (X~,Y)=(2n,1). 我们先考虑 (X,Y~)=(2n,1).

    • 如果 Y=n+1, 则摸出 n+1,⋯,2n 这 n 个球, 剩下的球为 1,⋯,n, Δ=n−1=Δ~, 只有这一种情形.
    • 否则 2≤Y≤n. 要让 Δ=Δ~, X~=Y~+(X−Y)=2n+1−Y. 则需要摸 X~+1,⋯,2n,Y 共 Y 个球, 再从 Y+1,⋯,X~−1 这 2n−2Y 个球中摸出剩下 n−Y 个球, 所以有 C2n−2Yn−Y 种取法.

    所以P(Δ=Δ~∩(X,Y~)=(2n,1))=1+∑i=2nC2n−2in−iC2nn=2+∑i=1n−2C2iiC2nn. 注意到 C2(i+1)i+1C2ii=(2i+2)!(i+1)!⋅(i+1)!⋅i!⋅i!(2i)!=(2i+1)(2i+2)(i+1)2=2(2i+1)i+1<4, 所以 C2ii>14C2(i+1)i+1>⋯>(14)n−iC2nn, 所以 2+∑i=1n−2C2iiC2nn>2+∑i=1n−2(14)n−i=112(1−(14)n−2). 根据对称性, (X~,Y)=(2n,1) 也有一样的结果. 所以 Pn(A)=2P(Δ=Δ~∩(X,Y~)=(2n,1))>16(1−(14)n−2).