Explanation(1)在 $1$ 到 $50$ 的整数中,
是 $20$ 的倍数的数有:$20, 40$,共 $2$ 个;
能整除 $20$ 的数(即 $20$ 的约数)有:$1, 2, 4, 5, 10, 20$,共 $6$ 个。
题目要求“不重复计数”,即求集合 $\{x \mid x \text{ 是 } 20 \text{ 的倍数}\} \cup \{x \mid x \text{ 能整除 } 20\}$ 的元素个数。
这两个集合的交集为 $\{20\}$。
根据容斥原理或直接列举,满足条件的序号集合为 $\{1, 2, 4, 5, 10, 20, 40\}$,共有 $7$ 个元素。
总样本空间大小为 $50$。
故所求概率 $P = \frac{7}{50}$。
(2)该规定不公平。
理由如下:
若规定序号为 $k$ 的倍数或能整除 $k$ 的学生参加,我们需要考察不同 $k$ 值下,被选中的学生人数(即概率分子)是否相同,或者更直接地,考察每个学生被选中的机会是否均等。
当抽到的卡片序号 $k=1$ 时:
$1$ 的倍数在 $1 \sim 50$ 中有 $50$ 个(即所有学生);
能整除 $1$ 的数只有 $1$。
合并后,符合条件的学生序号集合为 $\{1, 2, \dots, 50\}$,共 $50$ 人。
这意味着,只要抽到 $k=1$,全班 $50$ 人都能参加。此时任意一位学生(例如序号为 $2$ 的学生)参加活动的条件之一是“抽到 $k=1$”。
然而,对于序号为 $2$ 的学生,他参加活动的情况还包括抽到 $k=2$($2$ 是 $2$ 的约数)、$k=4$($2$ 能整除 $4$? 不,是 $2$ 能整除 $k$ 或 $k$ 是 $2$ 的倍数。若 $k=4$,$2$ 能整除 $4$,符合)、$k=6$ 等等。
更简单的判断依据是看极端情况:
序号为 $1$ 的学生:
无论抽到哪个 $k$ ($1 \le k \le 50$),因为 $1$ 能整除任何整数 $k$,所以序号 $1$ 始终满足“能整除 $k$”这一条件。
因此,序号为 $1$ 的学生参加活动的概率为 $1$(必然参加)。
序号为 $47$ 的学生($47$ 是质数):
只有当抽到的 $k$ 是 $47$ 的倍数(即 $k=47$)或 $k$ 能被 $47$ 整除(即 $k=47$,因为 $47 \times 2 > 50$)时,他才参加。
实际上,若 $k=47$,$47$ 是 $47$ 的倍数,符合;若 $k$ 是其他值,比如 $k=1$,$47$ 不能整除 $1$,$1$ 也不是 $47$ 的倍数,不符合。
显然,不同序号的学生被选中的概率不相等($1$ 号必中,其他号不一定),因此该规定不公平。
(3)设计方案:
将 $50$ 张卡片充分混合均匀,从中不放回地随机抽取 $10$ 张卡片,这 $10$ 张卡片对应序号的学生参加活动。
理由:
在简单随机抽样中,每个个体被抽到的可能性是相等的。
从 $50$ 个不同元素中不放回地抽取 $10$ 个元素,每一个特定的元素被包含在样本中的概率均为 $\frac{10}{50} = \frac{1}{5}$。
因此,每位学生参加活动的概率相等,符合公平性要求。