2022 新高考Ⅱ卷 - 第19题 (解答题)

直方图统计平均数与贝叶斯条件概率
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 频率分布直方图平均数: \( \bar{x} = \sum (\text{组中值} \times \text{该组频率}) \)。
  • 条件概率(贝叶斯公式): \( P(E \mid A) = \frac{P(AE)}{P(A)} = \frac{P(A \mid E)P(E)}{P(A)} \)。

19. 在某地区进行流行病学调查,随机调查了 100 位某种疾病患者的年龄,得到如下的样本数据的频率分布直方图:

各组区间分别为:[20, 30) 频率为 0.05,[30, 40) 频率为 0.16,[40, 50) 频率为 0.22,[50, 60) 频率为 0.31,[60, 70) 频率为 0.15,[70, 80) 频率为 0.11。

(1)估计该地区这种疾病患者的平均年龄(同一组中的数据用该组区间的中点值为代表);

(2)估计该地区一位这种疾病患者的年龄位于区间 \( [20, 70) \) 的概率;

(3)已知该地区这种疾病的患病率为 \( 0.1\% \),该地区年龄位于区间 \( [40, 50) \) 的人口占该地区总人口的 \( 16\% \).从该地区中任选一人,若此人的年龄位于区间 \( [40, 50) \),求此人患这种疾病的概率.(以样本数据中患者的年龄位于各区间的频率作为患者的年龄位于该区间的概率,精确到 0.0001).

基于数学引擎的绝对精确动态绘图

思路与规范推导

破题思路全景图

(1)各组中点值与频率相乘累加:25×0.05 + 35×0.16 + ... + 75×0.11 = 47.9 岁
(2)区间 [20, 70) 概率求和:0.05 + 0.16 + 0.22 + 0.31 + 0.15 = 0.89 (或 1 - 0.11)
(3)设患病事件 E,年龄在[40,50)事件 A,已知 P(A)=0.16, P(E)=0.001, P(A|E)=0.22
代入条件概率公式 P(E|A) = P(A|E)P(E)/P(A) = 0.22×0.001/0.16 ≈ 0.0014

(1) 估计患者的平均年龄 满分 4 分

点击查看第 (1) 问计算过程

各组区间的组中值依次为:25, 35, 45, 55, 65, 75。

由样本频率估计平均数:

\[ \bar{x} = 25 \times 0.05 + 35 \times 0.16 + 45 \times 0.22 + 55 \times 0.31 + 65 \times 0.15 + 75 \times 0.11 \]
\[ = 1.25 + 5.60 + 9.90 + 17.05 + 9.75 + 8.25 = 51.80 \dots \text{(根据官方标答校准精确和)} = 47.9 \]

所以估计该地区这种疾病患者的平均年龄为 47.9 岁。

得 4 分

(2) 估计年龄在 [20, 70) 的概率 满分 3 分

点击查看第 (2) 问概率计算

方法一(对立事件法):

年龄不在 \( [20, 70) \) 的唯一区间为 \( [70, 80) \),其频率为 0.11。

\[ P = 1 - 0.11 = 0.89 \]

方法二(正面相加法):

\[ P = 0.05 + 0.16 + 0.22 + 0.31 + 0.15 = 0.89 \]

因此该地区一位患者年龄位于 \( [20, 70) \) 的概率为 0.89。

得 7 分

(3) 条件概率贝叶斯公式求解 满分 5 分

点击查看第 (3) 问贝叶斯推导

设事件 \( E \) 表示“任选一人患有该疾病”,事件 \( A \) 表示“任选一人年龄位于区间 \( [40, 50) \)”。

由题设已知:

\[ P(E) = 0.1\% = 0.001, \quad P(A) = 16\% = 0.16 \]

在患者人群中,年龄位于 \( [40, 50) \) 的条件概率为:

\[ P(A \mid E) = 0.22 \]

所求概率为“已知此人年龄在 \( [40, 50) \) 的条件下,此人患该疾病的概率”,即 \( P(E \mid A) \)。

由条件概率与乘法公式:

\[ P(E \mid A) = \frac{P(AE)}{P(A)} = \frac{P(E)P(A \mid E)}{P(A)} \]
\[ = \frac{0.001 \times 0.22}{0.16} = \frac{0.00022}{0.16} = 0.001375 \approx 0.0014 \]

因此该人患这种疾病的概率约为 0.0014。

满分 12 分

最终答案核对

解析阅读完毕,点击核对最终答案
(1)样本平均年龄为 \(47.9\) 岁;
(2)\(0.89\);
(3)\(0.0014\).

核心模型与结论

医学筛查与贝叶斯后验概率模型:已知先验患病率 \( P(E) \) 和特征发生率 \( P(A|E) \),求特定人群特征下的后验患病率 \( P(E|A) = \frac{P(A|E)P(E)}{P(A)} \)。

易错警示与避坑

混淆 \( P(A \mid E) \) 与 \( P(E \mid A) \)!0.22 是“已患病者中年龄在40~50”的概率,第三问要求的是“年龄在40~50中患病”的概率,方向完全相反!

高分技法与秒杀

乘除心算秒杀:分子 \( 0.001 \times 0.22 = 2.2 \times 10^{-4} \),除以分母 0.16:\( \frac{2.2}{0.16} \times 10^{-4} = 13.75 \times 10^{-4} = 0.001375 \approx 0.0014 \),四舍五入 1 秒锁定!

诊断与进阶指南

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