三维几何概型,点缀数学天堂

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  几何概型是高中新课程数学概率部分中的新增内容,其特点鲜明,应用性强,在新课程高考中备受关注.解决几何概型的关键是利用已知条件建立适当的几何模型.一般地,在几何区域D中随机取点,记事件“该点落在其内部一个区域d内”这一事件为A,则事件A发生的概率P(A)=d测度D测度.本文以高考题及部分省市质检题为例,分别就测度在一维、二维和三维中的体现,梳理如下.
  一、一维几何概型
  一维实际是指的是一条线,在理解上即为左右一个方向.也可理解为点动成线,只有长度,没有宽度和高度.
  例1 (2010年湖南卷理11)在区间[-1,2]上随机取一个数x,则|x|≤1的概率为.
  分析 数轴上的动点构成线段,所以本题测度定位长度.
  解 记事件“|x|≤1”为事件A,则d测度为|1-(-1)|=2,D测度为|2-(-1)|=3,则P(A)=d测度D测度=23.
  例2 平面内有一组等距的平行直线,其距离为2a,半径为r  分析 本题的测度为长度,是硬币的中心到平行直线a,b的距离问题.
  图 1
  解 记事件“硬币不与任一条直线相碰”为事件A,在平面内有一组等距的平行直线中选取两条相邻直线a,b进行研究(如图1).
  设硬币的中心字母为O,过中心O向直线a作垂线,垂足为M.
  由“半径为r  即D测度为2a.
  又“硬币不与任一条直线相碰”,得到硬币的中心到平行直线的范围为r  即d测度为(2a-r)-r=2a-2r.
  则P(A)=d测度D测度=2a-2r2a=a-ra.
  所以,硬币不与任一条直线相碰的概率为a-ra.
  评注 “硬币不与任一条直线相碰”与“硬币不与任一条直线相碰”互为互斥事件,本题亦可用正难则反的思想方法来解决.
  例3 在等腰直角三角形ABC中,在斜边AB上任取一点M,求AM小于AC的概率?
  图 2
  分析 本题的测度为长度.
  记事件“AM小于AC”为事件A.
  在AB边上取点S,使得AD=AC(如图2).
  又由“等腰直角三角形ABC”,
  得到AB=2AC=2AD.
  由“斜边AB上任取一点M”,
  得到0≤AB≤AB,即D测度为AB.
  由“AM小于AC”,得到0≤AM  则P(A)=d测度D测度=ADAB=22.
  所以,AM小于AC的概率为22.
  在等腰直角三角形ABC中,过直角顶点C在∠ACB内部任作一条射线CM,与线段AB交于点M,求AM小于AC的概率.图 3
  分析 本题测度是角度.
  记事件“AM小于AC”为事件A.
  在AB边上取点D,使得AD=AC(如图3).
  又由“等腰直角三角形ABC”,
  得到∠ACD=∠ADC=67.5°.
  由“斜边AB上任取一点M”,
  得到0°≤∠ACM≤90°,即D测度为90°.
  由“AM小于AC”,
  得到0°≤∠ACM<67.5°,即d测度为67.5°.
  则P(A)=d测度D测度=67.590=34.
  二、二维几何概型
  二维即前后、上下两个方向,不存在左右.也可理解为线动成面,只有长度和宽度,没有高度,即只有面积.在一张纸上的内容就可以看成是二维,是没有厚度的物体.
  例4 半径为10 cm的圆形纸板内有一个相同圆心的半径为1 cm的小圆.现将半径为1 cm的一枚硬币抛到此纸板上,使硬币整体随机落在纸板内,求硬币落下后与小圆无公共点的概率?
  分析 本题的测度为面积.
  记事件“硬币落下后与小圆无公共点”为事件A.
  图 4
  设小圆圆心为O,硬币中心为O′,连接OO′(如图4).
  由“硬币抛到此纸板上”,得到硬币中心落在以O为圆心,9为半径的圆及其圆内部分,即D的测度为81π.
  又“硬币落下后与小圆无公共点”,
  得到硬币中心落在以O为圆心,半径2到9的圆环及其内部,
  即d的测度为π(92-22)=77π.
  则P(A)=d测度D测度=77π81π=7781.
  所以,硬币落下后与小圆无公共点的概率为7781.
  总结 “硬币落下后与小圆无公共点”与“硬币落下后与小圆有公共点”互为互斥事件,本题亦可用正难则反的思想方法来解决.
  三、三维几何概型
  三维即前后、上下、左右三个方向.也可理解为面动成体,长度、宽度和高度都有,即只有体积.
  例5 在三棱锥D-ABC内任取一点Q,求其与底面ABC构成体积超过原来一半的概率?
  分析 本题的测度为体积.
  记事件“三棱锥Q-ABC的体积超过三棱锥D-ABC一半”为事件A.
  由“三棱锥D-ABC内任取一点Q”,
  得到点Q所在区域为三棱锥D-ABC内,
  即D的测度为VD-ABC.
  图 5
  又“三棱锥Q-ABC的体积超过三棱锥D-ABC一半”,
  取DA中点M,DB中点N,DC中点O,连接MN,MO,NO(如图5),
  得到点Q所在区域为三棱锥D-MNO内,即d的测度为VD-MNO.
  则P(A)=d测度D测度=VD-MNOVD-ABC
  =DMDA3=123=18.
  所以,三棱锥Q-ABC的体积超过三棱锥D-ABC一半的概率为18.
  例6 在(0,1)内任取3数,求这三个数能作为边构成三角形的概率.
  分析 记事件“在(0,1)内任取3数能作为边构成三角形”为事件A.
  图 6
  设在(0,1)内任取3数为x,y,z.
  则x,y,z这三个数构成的点(x,y,z)在正方体A1B1C1D1-ABCD内,如图6,A1(0,0,0),B1(1,0,0),C1(1,1,0),D1(0,1,0),A(0,0,1),B(1,0,1),C(1,1,1),D(0,1,1),本题的测度为体积.
  由“(0,1)内任取3数”,
  得到D的测度为VA1B1C1D1-ABCD=1.
  由“在(0,1)内任取3数能作为边构成三角形”,
  得到x,y,z这三个数应满足x+y>z,y+z>x,x+z>y.
  其中x+y=z表示的平面为平面A1BD,
  y+z=x表示的平面为平面A1C1B,
  x+z=y表示的平面为平面A1C1D,
  所以点(x,y,z)在多面体A1C1CBD中(如图7).
  图 7
  即d的测度为VA1-C1BD+VC-C1BD=VA1B1C1D1-ABCD-3VC-C1BD=1-3×13×12=12.
  则P(A)=d测度D测度=12.
  所以,在(0,1)内任取3数能作为边构成三角形的概率为12.
  求几何概型的概率,最关键的一步是求事件A所包含的基本事件所占据的区域的测度,这里需要解析几何的知识,而最困难的地方是找出基本事件P(x,y)的约束条件,找出约束条件后,就像线性规划求可行域一样求其测度就不困难了.
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