2021届高考数学一轮复习第10章计数原理、概率、随机变量及其分布第6讲几何概型创新教学案(含解析)新人教

第6讲几何概型[考纲解读] 1.了解随机数的意义，能运用模拟方法估计概率．2．了解几何概型的意义，并能求与长度或面积有关的几何概型的概率．(重点) [考向预测]从近三年高考情况来看，本讲是高考的热点之一．预测2021年将会考查：①与长度有关的几何概型，常与函数、不等式、向量结合；②与面积有关的几何概型，常涉及线性规划、定积分等内容．题型为客观题，试题难度不大，属中、低档试题.1.几何概型的定义如果每个事件发生的概率只与构成该事件区域的□01长度(面积或体积)成比例，那么称这样的概率模型为几何概率模型，简称几何概型．2．几何概型的两个基本特点3．几何概型的概率公式P(A)＝□01构成事件A的区域长度(面积或体积)试验的全部结果所构成的区域长度(面积或体积).1．概念辨析(1)几何概型的试验结果的个数是无限的，古典概型中试验结果的个数是有限的．()(2)与面积有关的几何概型的概率与几何图形的形状有关．()(3)几何概型中，每一个基本事件就是从某个特定的几何区域内随机地取一点，该区域中的每一点被取到的机会相等．()(4)在几何概型定义中的区域可以是线段、平面图形、立体图形．()答案(1)√(2)×(3)√(4)√2．小题热身(1)有四个游戏盘，将它们水平放稳后，在上面扔一个玻璃小球，若小球落在阴影部分，则可中奖，小明要想增加中奖机会，应选择的游戏盘是( )答案 A解析 如题干选项中图，各种情况的概率都是其面积比，中奖的概率依次为P (A )＝38，P (B )＝28，P (C )＝26，P (D )＝13，所以P (A )>P (C )＝P (D )>P (B )．故选A.(2)在区间[－2,4]上随机地取一个数x ，若x 满足|x |≤m 的概率为56，则m ＝( ) A ．1 B ．2 C ．3 D ．4答案 C解析 区间[－2,4]的长度为6，在[－2,4]上随机地取一个数x ，若x 满足|x |≤m 的概率为56，则对应区间长度为5，由[－2,3]的长度为5，得m ＝3.(3)(2019·福州四校联考)如图，在圆心角为90°的扇形AOB 中，以圆心O 为起点在AB ︵上任取一点C 作射线OC ，则使得∠AOC 和∠BOC 都不小于30°的概率是( )A.13 B.23 C.12 D.16答案 A解析 记事件T 是“作射线OC ，使得∠AOC 和∠BOC 都不小于30°”，如图，记AB ︵的三等分点为M ，N ，连接OM ，ON ，则∠AON ＝∠BOM ＝∠MON ＝30°，则符合条件的射线OC应落在扇形MON中，所以P(T)＝∠MON∠AOB＝30°90°＝13，故选A.(4)在棱长为2的正方体ABCD－A1B1C1D1中，点O为底面ABCD的中心，在正方体ABCD－A1B1C1D1内随机取一点P，则点P到点O的距离大于1的概率为________．答案1－π12解析正方体的体积为2×2×2＝8，以O为球心，1为半径且在正方体内部的半球的体积为12×43πr3＝12×4π3×13＝2π3，则点P到点O的距离大于1的概率为1－2π38＝1－π12.题型一与长度(角度)有关的几何概型1．在区间[0,2]上随机地取一个数x，则事件“－1≤log12⎝⎛⎭⎪⎫x＋12≤1”发生的概率为()A.34 B.23C.13 D.14答案A解析不等式－1≤log12⎝⎛⎭⎪⎫x＋12≤1可化为log122≤log12⎝⎛⎭⎪⎫x＋12≤log1212，即12≤x＋12≤2，解得0≤x ≤32，故由几何概型的概率公式得P ＝32－02－0＝34.条件探究1将本例中的条件“－1≤log 12⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋12≤1”改为“使函数y ＝log 12(4x －3)有意义”，则其概率为________． 答案 18解析 由log 12(4x －3)≥0得0＜4x －3≤1，即x ∈⎝ ⎛⎦⎥⎤34，1，由几何概型的概率公式，得P ＝1－342－0＝18.条件探究2将本例中的条件“－1≤log 12⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋12≤1”改为“2≤2x ＋12≤4”，则其概率为________．答案12解析 由2≤2x ＋12≤4得1≤x ＋12≤2，即x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤12，32，由几何概型的概率公式，得P ＝32－122－0＝12.2．(2019·东北三省三校联考)如图，在直角梯形ABCD 中，∠ABC ＝90°，AB ＝AD ＝1，BC ＝3，在边AD 上任取点E ，连接BE 交AC 于点F ，则AF <12的概率为________．答案 33解析由题意，得△ABC为直角三角形，由AB＝1，BC＝3，得AC＝2.当AF＝12时，CF＝32，因为△AFE∽△CFB，所以AEAF＝BCCF，即AE12＝332，所以AE＝33，且点E的活动区域为线段AD，AD＝1.所以AF<12的概率为331＝33.3．如图，在等腰直角三角形ABC中，过直角顶点C作射线CM交AB于点M，则使得AM小于AC的概率为________．答案34解析当AM＝AC时，△ACM为以A为顶点的等腰三角形，∠ACM＝180°－45°2＝67.5°.当∠ACM＜67.5°时，AM＜AC，所以AM小于AC的概率P＝∠ACM的度数∠ACB的度数＝67.5°90°＝34.1．与长度有关的几何概型(1)如果试验结果构成的区域的几何度量可用长度表示，则其概率的计算公式为P(A)＝构成事件A的区域长度试验的全部结果所构成的区域长度.(2)与时间、不等式及其解有关的概率问题与时间、不等式及其解有关的概率问题可依据转化与化归思想将其转化为与长度有关的几何概型，利用几何概型求解．2．与角度有关的几何概型当涉及射线的转动，扇形中有关落点区域问题时，应以角的大小作为区域度量来计算概率，且不可用线段的长度代替，这是两种不同的度量手段．1．(2019·河南八市重点高中联盟模拟)函数f (x )＝－x 2＋2x ＋8(－4≤x ≤6)，在其定义域内任取一点x 0，使f (x 0)≥0的概率是( )A.310B.23 C.35 D.45答案 C解析 由题意，得f (x 0)≥0，即－x 20＋2x 0＋8≥0，解得{x 0|－2≤x 0≤4}，所以由长度的几何概型可得概率为P ＝4－(－2)6－(－4)＝35.2．如图，四边形ABCD 为矩形，AB ＝3，BC ＝1，以A 为圆心，1为半径作四分之一个圆弧DE ︵，在∠DAB 内任作射线AP ，则射线AP 与线段BC 有公共点的概率为 .答案 13解析 因为在∠DAB 内任作射线AP ，则等可能基本事件为“∠DAB 内作射线AP ”，所以它的所有等可能事件所在的区域是∠DAB ，当射线AP 与线段BC 有公共点时，射线AP 落在∠CAB 内，区域为∠CAB ，所以射线AP 与线段BC 有公共点的概率为∠CAB∠DAB＝30°90°＝13.题型二与面积有关的几何概型角度1与随机模拟相关的几何概型1．(2019·郑州三模)关于圆周率，数学发展史上出现过许多很有创意的求法，如著名的蒲丰试验．受其启发，我们也可以通过设计下面的试验来估计π的值，试验步骤如下：①先请高二年级n名同学每人在小卡片上随机写下一个实数对(x，y)(0<x<1,0<y<1)；②若卡片上的x，y能与1构成锐角三角形，则将此卡片上交；③统计上交的卡片数，记为m；④根据统计数n，m估计π的值．可以估计π的值约为()A.mn B.n－mnC.4(n－m)n D.4mn答案 C解析如图所示，实数对(x，y)在边长为1的正方形OABC的内部(不包括边界)，若能和1构成锐角三角形，则x，y满足x2＋y2>1，则实数对(x，y)在如图所示的阴影部分(不包括边界)，则能构成锐角三角形的概率为1－π41＝mn，解得π＝4(n－m)n.角度2与平面图形面积有关的问题2．(2019·晋冀鲁豫中原名校联考)1876年4月1日，加菲尔德在《新英格兰教育日志》上发表了勾股定理的一种证明方法，即在如图的直角梯形ABCD中，利用“两个全等的直角三角形和一个等腰直角三角形的面积之和等于直角梯形面积”，可以简洁明了地推证出勾股定理.1881年加菲尔德就任美国第二十任总统．后来，人们为了纪念他对勾股定理直观、易懂的证明，就把这一证明方法称为“总统证法”．如图，设∠BEC ＝15°，在梯形ABCD 中随机取一点，则此点取自等腰直角三角形CDE 中(阴影部分)的概率是()A.32 B.34 C.23 D.22答案 C解析 在直角三角形EBC 中，a ＝c cos15°，b ＝c sin15°，则P ＝S △CDES 梯形ABCD＝12c212(a ＋b )2＝c 2c 2(cos15°＋sin15°)2＝11＋sin30°＝23. 角度3 与线性规划有关的几何概型3．(2019·大庆模拟)设不等式组⎩⎨⎧x －2≤0，x ＋y ≥0，x －y ≥0，表示的平面区域为Ω，在区域Ω内任取一点P (x ，y )，则P 点的坐标满足不等式x 2＋y 2≤2的概率为( )A.π8B.π4C.12＋πD.12＋π答案 A解析画出⎩⎪⎨⎪⎧x －2≤0，x ＋y ≥0，x －y ≥0所表示的区域Ω，易知A (2,2)，B (2，－2)，所以△AOB的面积为4，满足不等式x2＋y2≤2的点，在区域Ω内是一个以原点为圆心，2为半径的14圆面，其面积为π2，由几何概型的公式可得其概率为P＝π24＝π8.角度4与定积分有关的几何概型4．(2019·常德一中模拟)如图，在矩形OABC中的曲线分别是y＝sin x，y＝cos x的一部分，A⎝⎛⎭⎪⎫π2，0，C(0,1)，在矩形OABC内随机取一点，若此点取自阴影部分的概率为p1，取自非阴影部分的概率为p2，则()A．p1<p2B．p1>p2C．p1＝p2D．大小关系不能确定答案 B解析根据题意，得阴影部分的面积的一半为∫π4(cos x－sin x)d x＝sin x＋cos x|π40＝2－1，于是此点取自阴影部分的概率为p1＝2×2－1π2＝4(2－1)π>4×(1.4－1)3.2＝12.又p2＝1－p1<12，故p1>p2.1．与平面几何、解析几何等知识交汇问题的解题思路利用平面几何、解析几何等相关知识，先确定基本事件对应区域的形状，再选择恰当的方法和公式，计算出其面积，进而代入公式求概率．见举例说明1、2.2．与线性规划交汇问题的解题思路先根据约束条件作出可行域，再确定形状，求面积大小，进而代入公式求概率．见举例说明3.3．与定积分交汇问题的解题思路先确定基本事件对应区域的形状构成，再将其面积转化为某定积分的计算，并求其大小，进而代入公式求概率．见举例说明4.1．中国传统文化中很多内容体现了数学的“对称美”．太极图是由黑白两个鱼形纹组成的圆形图案，充分体现了相互转化、对称统一的形式美、和谐美．按照太极图的构图方法，在平面直角坐标系中，圆O被函数y＝3sin π6x的图象分割为两个对称的鱼形图案(如图)，其中小圆的半径均为2，现从大圆内随机取一点，则此点取自阴影部分的概率为()A.19 B.29C.118 D.136答案 B解析因为函数y＝3sin π6x的图象与x轴交于点(6,0)和点(－6,0)，则大圆的半径为6，所以S大圆＝36π.又小圆的半径为2，故两个小圆的面积和为8π，所以所求的概率为P＝8π36π＝2 9.2．如图，点A的坐标为(1,0)，点C的坐标为(2,4)，函数f(x)＝x2.若在矩形ABCD内随机取一点，则此点取自阴影部分的概率等于________．答案 512解析 由题图可知S 阴影＝S矩形ABCD －⎠⎛12x 2d x ＝1×4－x 33|21＝4－⎝ ⎛⎭⎪⎫83－13＝53，则所求事件的概率P ＝S 阴影S 矩形ABCD＝534＝512.3．已知关于x 的二次函数f (x )＝b 2x 2－(a ＋1)x ＋1.(1)若a ，b 分别表示将一质地均匀的正方体骰子(六个面的点数分别为1,2,3,4,5,6)先后抛掷两次时第一次、第二次出现的点数，求y ＝f (x )恰有一个零点的概率；(2)若a ，b ∈[1,6]，求满足y ＝f (x )有零点的概率．解 (1)设(a ，b )表示一个基本事件，则抛掷两次骰子的所有基本事件共36个． 用A 表示事件“y ＝f (x )恰有一个零点”，即Δ＝[－(a ＋1)]2－4b 2＝0，则a ＋1＝2b .则A 包含的基本事件有(1,1)，(3,2)，(5,3)，共3个，所以P (A )＝336＝112.即事件“y ＝f (x )恰有一个零点”的概率为112.(2)用B 表示事件“y ＝f (x )有零点”，即a ＋1≥2b .试验的全部结果所构成的区域为{(a ，b )|1≤a ≤6,1≤b ≤6}，构成事件B 的区域为{(a ，b )|1≤a ≤6,1≤b ≤6，a －2b ＋1≥0}．如图所示：所以所求的概率为P(B)＝12×5×5 25×5＝14.即事件“y＝f(x)有零点”的概率为14.题型三与体积有关的几何概型某个四面体的三视图如图所示，若在该四面体的外接球内任取一点，则点落在四面体内的概率为()A.913π B.113πC.913169π D.13169π答案 C解析由三视图可知该立体图形为三棱锥，其底面是一个直角边长为32的等腰直角三角形，高为4，所以该三棱锥的体积为12，又外接球的直径2r为以三棱锥的三个两两垂直的棱为长、宽、高所作的长方体的对角线，即2r＝42＋(32)2＋(32)2＝213，所以球的体积为5213π3，所以点落在四面体内的概率为125213π3＝913169π.与体积有关的几何概型问题如果试验的结果所构成的区域的几何度量可用空间几何体的体积表示，则其概率的计算公式为：P(A)＝构成事件A的区域体积试验的全部结果所构成的区域体积.求解的关键是计算事件的总体积以及事件A的体积.如图，正方体ABCD－A1B1C1D1的棱长为1，在正方体内随机取点M，则使四棱锥M－ABCD的体积小于16的概率为________．答案1 2解析过M作平面α∥平面ABCD，则两平面间的距离是四棱锥M－ABCD的高，显然M在平面α上任意位置时，四棱锥M－ABCD的体积都相等．若此时四棱锥M－ABCD的体积等于16.只要M在截面以下即可小于16，当V M－ABCD＝16时，即13×1×1×h＝16，解得h＝12，即点M到底面ABCD的距离，所以所求概率P＝1×1×121×1×1＝1 2.组基础关1．在区间[0,2π]上随机取一个数x，则事件“sin x≤12”发生的概率为()A.13 B.12C.23 D.34答案 C解析当x∈[0,2π]时，由sin x≤12得0≤x≤π6或5π6≤x≤2π，因此所求概率为P ＝1－5π6－π62π＝23.2．(2019·山东师范大学附中模拟)“纹样”是中国艺术宝库的瑰宝，“火纹”是常见的一种传统纹样．为了测算某火纹纹样(如图中阴影部分所示)的面积，作一个边长为5的正方形将其包含在内，并向该正方形内随机投掷1000个点，已知恰有400个点落在阴影部分，据此可估计阴影部分的面积是()A．2 B．3C．10 D．15答案 C解析设阴影部分的面积是S，由题意得4001000＝S52，∴S＝10，选C.3．(2019·陕西南郑中学模拟)如图，矩形OABC的四个顶点依次为O(0,0)，A⎝⎛⎭⎪⎫π2，0，B⎝⎛⎭⎪⎫π2，1，C(0,1)，记线段OC，CB以及y＝sin x⎝⎛⎭⎪⎫0≤x≤π2的图象围成的区域(图中阴影部分)为Ω，若向矩形OABC内任意投一点M，则点M落在区域Ω内的概率为()A.π2－2πB.1πC.2π D ．1－2π答案 D解析 易知题图中矩形空白处的面积S ＝∫π20sin x d x ＝(－cos x )|π20＝1，故阴影部分的面积为1×π2－S ＝π2－1，由几何概型的概率计算公式可得所求概率P ＝π2－1π2＝1－2π.4．古希腊数学家欧多克索斯在深入研究比例理论时，提出了分线段的“中末比”问题：将一线段AB 分为两线段AC ，CB ，使得其中较长的一段AC 是全长AB 与另一段CB 的比例中项，即满足AC AB ＝BCAC ＝5－12≈0.618.后人把这个数称为黄金分割数，把点C 称为线段AB 的黄金分割点．在△ABC 中，若点P ，Q 为线段BC 的两个黄金分割点，在△ABC 内任取一点M ，则点M 落在△APQ 内的概率为( )A.5－12 B.5－2 C.5－14D.5－22答案 B解析 设BC ＝1，则BQ ＝PC ＝5－12，所以BC ＋PQ ＝BQ ＋PC ＝5－1，所以PQ ＝5－2，所以所求概率P ＝S △APQ S △ABC＝PQBC ＝5－2.故选B.5．已知区域Ω＝{(x ，y )|x ＋y ≤6，x ≥0，y ≥0}，区域E ＝{(x ，y )|x －2y ≥0，x ≤4，y ≥0}，若向区域Ω内随机投一点P ，则点P 落在区域E 内的概率为( )A.13 B.23 C.19 D.29答案 D解析 如图，区域Ω表示的平面区域为△AOB 的边界及其内部，区域E 表示的平面区域为△COD 的边界及其内部，所以点P 落在区域E 内的概率为S △COD S △AOB ＝12×2×412×6×6＝29.故选D. 6．(2019·青岛二中模拟)在区间[－2,2]上随机取一个数b .若使直线y ＝x ＋b 与圆x 2＋y 2＝a 有交点的概率为12，则a ＝( )A.14B.12 C ．1 D ．2答案 B解析 由直线y ＝x ＋b 与圆x 2＋y 2＝a 有交点，得圆心到直线的距离d ＝|b |2≤ a ，解得b ∈[－2a ，2a ]．又b ∈[－2,2]，且直线y ＝x ＋b 与圆x 2＋y 2＝a 有交点的概率为12，所以由几何概型的概率公式可知P ＝2a －(－2a )2－(－2)＝12，解得a ＝12.7．如图，正四棱锥S －ABCD 的顶点都在球面上，球心O 在平面ABCD 上，在球O 内任取一点，则这点取自正四棱锥内的概率为________．答案12π解析 设球的半径为R ，则所求的概率为 P ＝V 锥V 球＝13×12×2R ×2R ×R 43πR3＝12π.8．(2020·安徽马鞍山月考)如图，扇形AOB 的圆心角为π2，点P 在弦AB 上，且OP ＝2AP ，延长OP 交弧AB 于点C ，则∠AOC ＝________；现向该扇形内随机投一点，则该点落在扇形AOC 内的概率为________．答案 π6 13解析 在△AOP 中，OP sin π4＝AP sin ∠AOC ，因为OP ＝2AP ，所以sin ∠AOC ＝12，所以∠AOC ＝π6.向该扇形内随机投一点，则该点落在扇形AOC 内的概率为P ＝π6π2＝13.组 能力关1．已知P 是△ABC 所在平面内的一点，且PB →＋PC →＋4P A →＝0，现向△ABC 内随机投掷一根针，则该针扎在△PBC 内的概率为( )A.14B.13C.12D.23答案 D解析 如图所示，以PB ，PC 为邻边作平行四边形BPCD ，连接PD 交BC 于点O ，∵PB →＋PC →＋4P A →＝0，PB →＋PC →＝PD →，∴PD →＝－4P A →，∴2PO →＝－4P A →，则PO →＝－2P A →，∴点P 到BC 的距离是点A 到BC 距离的23，∴S △PBC ＝23S △ABC ，因此向△ABC 内随机投掷一根针，则该针扎在△PBC 内的概率为S △PBC S △ABC＝23.故选D.2．已知区域A 内的点满足不等式组⎩⎨⎧x ≥0，x ＋y －2≤0，2x －y －4≤0，在区域A 内任取一点P (a ，b )，则函数f (x )＝x 2＋2ax ＋b 有零点的概率为( )A.2936B.1718C.736D.118答案 A解析 如图，不等式组表示的可行域为△ABC 的内部及边界，易得其面积为6.若函数f (x )有零点，则Δ＝4a 2－4b ≥0，即b ≤a 2，则满足b ≤a 2的点(a ，b )在曲边四边形DOCB (阴影部分)内．由⎩⎪⎨⎪⎧x ＋y －2＝0，y ＝x 2，得点D 的坐标为(1,1)，则曲边四边形DOCB (阴影部分)的面积为⎠⎛01x 2d x ＋12×1×1＋4＝296，故所求的概率为2966＝2936.。