수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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+5점 · f(x)=kx3  (1x2)\displaystyle f(x)=kx^3\;(1\le x\le2)가 확률밀도함수이므로 제시문 (ㄱ)의 성질로부터 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=2\displaystyle x=1,\;x=2로 둘러싸인 도형의 넓이가 1\displaystyle 1이다.이 도형의 넓이는 정적분 12kx3dx\displaystyle \int_1^2kx^3dx와 같으므로12kx3dx=k4(2414)=154k=1\displaystyle \int_1^2kx^3dx=\frac k4(2^4-1^4)=\frac{15}4k=1이다. 따라서 k=415\displaystyle k=\frac4{15}이다.

f(x)=kx3  (1x2)\displaystyle f(x)=kx^3\;(1\le x\le2)가 확률밀도함수이므로 제시문 (ㄱ)의 성질로부터 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=2\displaystyle x=1,\;x=2로 둘러싸인 도형의 넓이가 1\displaystyle 1이다.이 도형의 넓이는 정적분 12kx3dx\displaystyle \int_1^2kx^3dx와 같으므로12kx3dx=k4(2414)=154k=1\displaystyle \int_1^2kx^3dx=\frac k4(2^4-1^4)=\frac{15}4k=1이다. 따라서 k=415\displaystyle k=\frac4{15}이다.

+10점 · 한편 Y=X2\displaystyle Y=X^2이므로 P(1Y2)=P(1X22)=P(1X2)\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le2)=\mathrm P(1\le X^2\le2)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt2)이고, 확률 P(1X2)\displaystyle \mathrm P(1\le X\le\sqrt2)은 함수 y=415x3\displaystyle y=\frac4{15}x^3의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=2\displaystyle x=1,\;x=\sqrt2로 둘러싸인 도형의 넓이이므로 12415x3dx=15\displaystyle \int_1^{\sqrt2}\frac4{15}x^3dx=\frac15이다. 따라서 P(1Y2)=P(1X22)=P(1X2)=12415x3dx=15\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le2)=\mathrm P(1\le X^2\le2)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt2)=\int_1^{\sqrt2}\frac4{15}x^3dx=\frac15 이다.

한편 Y=X2\displaystyle Y=X^2이므로P(1Y2)=P(1X22)=P(1X2)\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le2)=\mathrm P(1\le X^2\le2)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt2)이고, 확률 P(1X2)\displaystyle \mathrm P(1\le X\le\sqrt2)은 함수 y=415x3\displaystyle y=\frac4{15}x^3의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=2\displaystyle x=1,\;x=\sqrt2로 둘러싸인 도형의 넓이이므로 12415x3dx=15\displaystyle \int_1^{\sqrt2}\frac4{15}x^3dx=\frac15이다. 따라서P(1Y2)=P(1X22)=P(1X2)=12415x3dx=15\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le2)=\mathrm P(1\le X^2\le2)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt2)=\int_1^{\sqrt2}\frac4{15}x^3dx=\frac15이다.

+10점 · 제시문 (ㄷ)에 의해 1b4\displaystyle 1\le b\le4b\displaystyle b에 대하여1bg(y)dy=P(1Yb)\displaystyle \int_1^bg(y)dy=\mathrm P(1\le Y\le b)이다. 그런데 P(1Yb)=P(1Xb)\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le b)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt b)이고 확률 P(1Xb)\displaystyle \mathrm P(1\le X\le\sqrt b)은 함수 y=415x3\displaystyle y=\frac4{15}x^3의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=b\displaystyle x=1,\;x=\sqrt b와 둘러싸인 도형의 넓이므로 1b415x3dx=115(b21)\displaystyle \int_1^{\sqrt b}\frac4{15}x^3dx=\frac1{15}(b^2-1)이다. 즉, 1bg(y)dy=115(b21)\displaystyle \int_1^bg(y)dy=\frac1{15}(b^2-1)이다. 따라서 1x4\displaystyle 1\le x\le4x\displaystyle x에 대하여 1xg(y)dy=115(x21)\displaystyle \int_1^xg(y)dy=\frac1{15}(x^2-1)이다. 그런데 함수 g(y)\displaystyle g(y)가 구간 [1,4]\displaystyle [1,4]에서 연속이므로 제시문 (ㄹ)에 의해 1<x<4\displaystyle 1<x<4x\displaystyle x에 대하여g(x)=ddx1xg(y)dy\displaystyle g(x)=\frac d{dx}\int_1^xg(y)dy이다.

제시문 (ㄷ)에 의해 1b4\displaystyle 1\le b\le4b\displaystyle b에 대하여1bg(y)dy=P(1Yb)\displaystyle \int_1^bg(y)dy=\mathrm P(1\le Y\le b)이다. 그런데 P(1Yb)=P(1Xb)\displaystyle \mathrm P(1\le Y\le b)=\mathrm P(1\le X\le\sqrt b)이고 확률 P(1Xb)\displaystyle \mathrm P(1\le X\le\sqrt b)은 함수 y=415x3\displaystyle y=\frac4{15}x^3의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=b\displaystyle x=1,\;x=\sqrt b와 둘러싸인 도형의 넓이므로 1b415x3dx=115(b21)\displaystyle \int_1^{\sqrt b}\frac4{15}x^3dx=\frac1{15}(b^2-1)이다. 즉, 1bg(y)dy=115(b21)\displaystyle \int_1^bg(y)dy=\frac1{15}(b^2-1)이다. 따라서 1x4\displaystyle 1\le x\le4x\displaystyle x에 대하여 1xg(y)dy=115(x21)\displaystyle \int_1^xg(y)dy=\frac1{15}(x^2-1)이다. 그런데 함수 g(y)\displaystyle g(y)가 구간 [1,4]\displaystyle [1,4]에서 연속이므로 제시문 (ㄹ)에 의해 1<x<4\displaystyle 1<x<4x\displaystyle x에 대하여g(x)=ddx1xg(y)dy\displaystyle g(x)=\frac d{dx}\int_1^xg(y)dy이다.

+5점 · 그러므로 1<x<4\displaystyle 1<x<4x\displaystyle x에 대하여g(x)=ddx1xg(y)dy=ddx115(x21)=215x\displaystyle g(x)=\frac d{dx}\int_1^xg(y)dy=\frac d{dx}\frac1{15}(x^2-1)=\frac2{15}x이다.따라서 g(3)=25\displaystyle g(3)=\frac25이다.

그러므로 1<x<4\displaystyle 1<x<4x\displaystyle x에 대하여g(x)=ddx1xg(y)dy=ddx115(x21)=215x\displaystyle g(x)=\frac d{dx}\int_1^xg(y)dy=\frac d{dx}\frac1{15}(x^2-1)=\frac2{15}x이다.따라서 g(3)=25\displaystyle g(3)=\frac25이다.

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