(1) p3:3球后甲净胜分≥2。
3球后甲净胜只能是±1或±3,故净胜≥2等价于甲全胜。
p3=p3。
同理,q3=q3。
p4:4球后甲净胜≥2,即净胜2或4。
净胜4:p4;净胜2:甲3胜1负,C43p3q=4p3q。
故 p4=p4+4p3q。
同理,q4=q4+4q3p。
(2) 计算增量:
p4−p3=p4+4p3q−p3=p3(p+4q−1)=p3(3−3p)=3p3q。
q4−q3=q4+4q3p−q3=q3(q+4p−1)=q3(4p−p)=3pq3。
由条件 q4−q3p4−p3=3pq33p3q=q2p2=4,
得 qp=2,即 p=2q=2(1−p),解得 p=32。
(3) 设Xk为k球中甲胜的场数,服从二项分布B(k,p)。甲净胜分为2Xk−k。
pk=P(Xk≥2k+2),qk=P(Xk≤2k−2)。
当k=2m时:
p2m=P(X2m≥m+1),q2m=P(X2m≤m−1)。
当k=2m+1时:
p2m+1=P(X2m+1≥m+2),q2m+1=P(X2m+1≤m−1)。
先证左边:p2m+1−q2m+1<p2m−q2m
由二项分布递推:
P(X2m+1≥m+2)=p⋅P(X2m≥m+1)+q⋅P(X2m≥m+2)
=P(X2m≥m+1)−q⋅P(X2m=m+1)。
P(X2m+1≤m−1)=q⋅P(X2m≤m−1)+p⋅P(X2m≤m−2)
=P(X2m≤m−1)−p⋅P(X2m=m−1)。
两式相减:
p2m+1−q2m+1=(p2m−q2m)−q⋅P(X2m=m+1)+p⋅P(X2m=m−1)。
注意 P(X2m=m+1)=C2mm+1pm+1qm−1,P(X2m=m−1)=C2mm−1pm−1qm+1,且C2mm+1=C2mm−1。
故 q⋅P(X2m=m+1)−p⋅P(X2m=m−1)=C2mm+1pmqm(p−q)>0。
因此 p2m+1−q2m+1=(p2m−q2m)−C2mm+1pmqm(p−q)<p2m−q2m。
再证右边:p2m−q2m<p2m+2−q2m+2
同理,由两步递推:
P(X2m+2≥m+2)=p2P(X2m≥m)+2pqP(X2m≥m+1)+q2P(X2m≥m+2)
=P(X2m≥m+1)+p2P(X2m=m)−q2P(X2m=m+1)。
P(X2m+2≤m)=q2P(X2m≤m)+2pqP(X2m≤m−1)+p2P(X2m≤m−2)
=P(X2m≤m−1)+q2P(X2m=m)−p2P(X2m=m−1)。
两式相减:
p2m+2−q2m+2=(p2m−q2m)+(p2−q2)P(X2m=m)−q2P(X2m=m+1)+p2P(X2m=m−1)。
代入 P(X2m=m)=C2mmpmqm,并利用 C2mm+1=C2mm−1,得:
−q2⋅C2mm+1pm+1qm−1+p2⋅C2mm+1pm−1qm+1=−C2mm+1pm+1qm+1+C2mm+1pm+1qm+1=0。
故新增项为 (p2−q2)C2mmpmqm=(p−q)C2mmpmqm>0。
因此 p2m+2−q2m+2>p2m−q2m。
综上,p2m+1−q2m+1<p2m−q2m<p2m+2−q2m+2。