수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 1번

문제

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+30점 · 확률변수 X\displaystyle X는 두 번의 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 나온 횟수의 합이므로 확률변수 X\displaystyle X가 가지는 값은 0,1,2,,n\displaystyle 0,1,2,\cdots,n이다. 0kn\displaystyle 0\le k\le n인 정수 k\displaystyle k0ik\displaystyle 0\le i\le k인 정수 i\displaystyle i에 대하여 첫 번째 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 i\displaystyle i번, 두 번째 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 (ni)\displaystyle (n-i)번 중 (ki)\displaystyle (k-i)번 나오면 X\displaystyle X의 값은 k\displaystyle k이고 그 확률은nCi(13)i(23)ni×niCki(13)ki(23)nk=n!i!(ni)!(13)i(23)ni(ni)!(ki)!(nk)!(13)ki(23)nk=n!k!(nk)!(49)n(12)kk!i!(ki)!(32)i=nCk(49)n(12)k×kCi(32)i\displaystyle \begin{aligned}&{}_n\mathrm C_i\left(\frac13\right)^i\left(\frac23\right)^{n-i}\times{}_{n-i}\mathrm C_{k-i}\left(\frac13\right)^{k-i}\left(\frac23\right)^{n-k}\\&=\frac{n!}{i!(n-i)!}\left(\frac13\right)^i\left(\frac23\right)^{n-i}\frac{(n-i)!}{(k-i)!(n-k)!}\left(\frac13\right)^{k-i}\left(\frac23\right)^{n-k}\\&=\frac{n!}{k!(n-k)!}\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\frac{k!}{i!(k-i)!}\left(\frac32\right)^i={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\times{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\end{aligned}이다.

확률변수 X\displaystyle X는 두 번의 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 나온 횟수의 합이므로 확률변수 X\displaystyle X가 가지는 값은 0,1,2,,n\displaystyle 0,1,2,\cdots,n이다. 0kn\displaystyle 0\le k\le n인 정수 k\displaystyle k0ik\displaystyle 0\le i\le k인 정수 i\displaystyle i에 대하여 첫 번째 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 i\displaystyle i번, 두 번째 시행에서 3\displaystyle 3의 배수의 눈이 (ni)\displaystyle (n-i)번 중 (ki)\displaystyle (k-i)번 나오면 X\displaystyle X의 값은 k\displaystyle k이고 그 확률은nCi(13)i(23)ni×niCki(13)ki(23)nk=n!i!(ni)!(13)i(23)ni(ni)!(ki)!(nk)!(13)ki(23)nk=n!k!(nk)!(49)n(12)kk!i!(ki)!(32)i=nCk(49)n(12)k×kCi(32)i\displaystyle \begin{aligned}&{}_n\mathrm C_i\left(\frac13\right)^i\left(\frac23\right)^{n-i}\times{}_{n-i}\mathrm C_{k-i}\left(\frac13\right)^{k-i}\left(\frac23\right)^{n-k}\\&=\frac{n!}{i!(n-i)!}\left(\frac13\right)^i\left(\frac23\right)^{n-i}\frac{(n-i)!}{(k-i)!(n-k)!}\left(\frac13\right)^{k-i}\left(\frac23\right)^{n-k}\\&=\frac{n!}{k!(n-k)!}\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\frac{k!}{i!(k-i)!}\left(\frac32\right)^i={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\times{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\end{aligned}이다.

+30점 · 따라서 P(X=k)\displaystyle \mathrm P(X=k)P(X=k)=i=0knCk(49)n(12)k×kCi(32)i=nCk(49)n(12)ki=0kkCi(32)i=nCk(49)n(12)k(1+32)k=nCk(54)k(49)n(k=0,1,2,,n)\displaystyle \begin{aligned}\mathrm P(X=k)&=\sum_{i=0}^k{}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\times{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\sum_{i=0}^k{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\left(1+\frac32\right)^k\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac54\right)^k\left(\frac49\right)^n\qquad(k=0,1,2,\cdots,n)\end{aligned}이다.

따라서 P(X=k)\displaystyle \mathrm P(X=k)P(X=k)=i=0knCk(49)n(12)k×kCi(32)i=nCk(49)n(12)ki=0kkCi(32)i=nCk(49)n(12)k(1+32)k=nCk(54)k(49)n(k=0,1,2,,n)\displaystyle \begin{aligned}\mathrm P(X=k)&=\sum_{i=0}^k{}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\times{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\sum_{i=0}^k{}_k\mathrm C_i\left(\frac32\right)^i\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac49\right)^n\left(\frac12\right)^k\left(1+\frac32\right)^k\\&={}_n\mathrm C_k\left(\frac54\right)^k\left(\frac49\right)^n\qquad(k=0,1,2,\cdots,n)\end{aligned}이다.

+30점 · 그러므로 k=0nak\displaystyle \sum_{k=0}^na_kk=0nak=k=0n2kP(X=k)=k=0n2knCk(54)k(49)n=(49)nk=0nnCk(52)k=(49)n(1+52)n=(149)n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=0}^na_k&=\sum_{k=0}^n2^k\mathrm P(X=k)=\sum_{k=0}^n2^k{}_n\mathrm C_k\left(\frac54\right)^k\left(\frac49\right)^n\\&=\left(\frac49\right)^n\sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k\left(\frac52\right)^k=\left(\frac49\right)^n\left(1+\frac52\right)^n=\left(\frac{14}9\right)^n\end{aligned}이다.

그러므로 k=0nak\displaystyle \sum_{k=0}^na_kk=0nak=k=0n2kP(X=k)=k=0n2knCk(54)k(49)n=(49)nk=0nnCk(52)k=(49)n(1+52)n=(149)n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=0}^na_k&=\sum_{k=0}^n2^k\mathrm P(X=k)=\sum_{k=0}^n2^k{}_n\mathrm C_k\left(\frac54\right)^k\left(\frac49\right)^n\\&=\left(\frac49\right)^n\sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k\left(\frac52\right)^k=\left(\frac49\right)^n\left(1+\frac52\right)^n=\left(\frac{14}9\right)^n\end{aligned}이다.

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