수리논술, 이게 다다.

약학과 1번

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문제

[문항 1] 제시문 (ㄱ)~(ㄹ)을 읽고 논제에 답하시오. (200점)

(ㄱ) 하나의 상자에 다음 시행을 반복하여 공을 넣거나 꺼내려고 한다.

한 개의 주사위를 던져서 나온 눈의 수가 1이면 흰 공 3개를, 2 이상 4 이하이면 검은 공 2개를 상자에 넣고, 5 이상이면 상자에서 임의로 공 1개를 꺼낸다.(단, 상자가 비어있을 때 나온 눈의 수가 5 이상이면 공을 넣지도 않고 꺼내지 않는다.)

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 상자가 비어있는 상태에서 시작하여 제시문 (ㄱ)의 시행을 k\displaystyle k번 반복한 후 상자에 들어 있는 흰 공의 개수를 ak\displaystyle a_k, 검은 공의 개수를 bk\displaystyle b_k라고 하자. 이때 ak\displaystyle a_k와 bk\displaystyle b_k가 다음 조건을 모두 만족시키거나 k=10\displaystyle k=10이면 더 이상 시행을 반복하지 않고 멈추기로 한다.

(가) ak=3\displaystyle a_k=3

(나) bk>0\displaystyle b_k>0

(다) bk\displaystyle b_k는 3\displaystyle 3의 배수 또는 3\displaystyle 3의 약수이다.

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 방법으로 시행을 반복할 때, 시작 후 멈출 때까지의 총 시행 횟수를 확률변수 X\displaystyle X라고 하자.

(ㄹ) 제시문 (ㄷ)의 확률변수 X\displaystyle X에 대하여 X=4\displaystyle X=4일 확률을 p\displaystyle p, X≤5\displaystyle X\leq5일 때 X=3\displaystyle X=3일 확률을 q\displaystyle q라고 하자.

논제. (200점) 제시문 (ㄹ)의 p\displaystyle p와 q\displaystyle q의 값을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+60점

매 시행에서 흰 공을 3개 넣는 사건을 W\displaystyle W, 검은 공을 2개 넣는 사건을 B\displaystyle B라고 하자. 공을 꺼내지 않는 사건을 U\displaystyle U, 흰 공을 하나 꺼내는 사건을 V\displaystyle V, 검은 공 하나를 꺼내는 사건을 A\displaystyle A라고 하자.제시문 (ㄴ)의 조건에서 bk\displaystyle b_k는 3의 배수 또는 약수이고, 최대 시행횟수가 10번까지임을 고려할 때, 검은 공의 개수 bk\displaystyle b_k로 가능한 값은 1,3,6,9,12,15,18\displaystyle 1,3,6,9,12,15,18이다. 이 중 제시문 (ㄹ)의 확률 p\displaystyle p는 X=4\displaystyle X=4인 경우를, q\displaystyle q는 X≤5\displaystyle X\leq5인 경우를 고려하므로, 고려해야 할 흰 공과 검은 공 개수의 순서쌍 조합은 (3,1),(3,3),(3,6)\displaystyle (3,1),(3,3),(3,6)이다. X≤5\displaystyle X\leq5이고 사건 U\displaystyle U는 공의 개수에 영향을 미치지 않으므로 사건 U\displaystyle U를 제외하고 생각했을 때, 각 순서쌍이 나올 수 있는 사건의 조합은 다음과 같다. 이때, 사건 A\displaystyle A는 이전 시행에서 사건 B\displaystyle B가 일어난 후에만 가능하다.(1)WBA(2)WBBA(3)WBBB\displaystyle \begin{array}{|c|c|}\hline(1)&WBA\\\hline(2)&WBBA\\\hline(3)&WBBB\\\hline\end{array}

+60점 · 각 순서쌍이 나올 수 있는 사건의 확률

(1) 사건 W,B,A\displaystyle W,B,A가 각각 한 번씩 일어나는 경우사건의 순서가 WBA,BWA\displaystyle WBA,BWA인 경우 16×12×13×25\displaystyle \frac16\times\frac12\times\frac13\times\frac25의 확률을 가지며, BAW\displaystyle BAW인 경우 확률이 12×13×22×16\displaystyle \frac12\times\frac13\times\frac22\times\frac16이다. 따라서 (1)의 확률은 [2×(16×12×13×25)+(12×13×22×16)]=120\displaystyle \left[2\times\left(\frac16\times\frac12\times\frac13\times\frac25\right)+\left(\frac12\times\frac13\times\frac22\times\frac16\right)\right]=\frac1{20}이다.

(2) 사건 W\displaystyle W와 사건 A\displaystyle A가 한 번씩, 사건 B\displaystyle B가 두 번 일어나는 경우4가지의 경우(BAWB,BABW/BWAB,WBAB/BBAW/WBBA,BWBA,BBWA\displaystyle BAWB,BABW/BWAB,WBAB/BBAW/WBBA,BWBA,BBWA)로 나누어 생각할 수 있으며, 이 중에서 세 가지 조합 BAWB,BWAB,WBAB\displaystyle BAWB,BWAB,WBAB 경우는 제시문 (ㄴ)의 조건에 의해 세 번째 시행 후 중단되므로 제외한다. 나머지 경우로 생각할 수 있는 모든 조합에 대한 확률은 다음과 같다.[(12×(13×22)×12×16)+(12×12×(13×44)×16)+(3×16×12×12×(13×47))]=13252\displaystyle \left[\left(\frac12\times\left(\frac13\times\frac22\right)\times\frac12\times\frac16\right)+\left(\frac12\times\frac12\times\left(\frac13\times\frac44\right)\times\frac16\right)+\left(3\times\frac16\times\frac12\times\frac12\times\left(\frac13\times\frac47\right)\right)\right]=\frac{13}{252}

(3) 사건 W\displaystyle W가 한 번, 사건 B\displaystyle B가 세 번 일어나는 경우한 번의 사건 W\displaystyle W와 세 번의 사건 B\displaystyle B로 고려할 수 있는 모든 조합을 고려한 확률의 총합은 다음과 같다.4×(16×12×12×12)=112\displaystyle 4\times\left(\frac16\times\frac12\times\frac12\times\frac12\right)=\frac1{12}

+30점 · p=1911260\displaystyle p=\frac{191}{1260}

[확률 p\displaystyle p의 계산]확률 p\displaystyle p는 X=4\displaystyle X=4일 확률이므로, 첫 사건으로 먼저 U\displaystyle U가 일어난 후 (1)의 경우가 일어나거나 (UWBA,UBWA,UBAW\displaystyle UWBA,UBWA,UBAW), (2), (3)이 일어나는 경우이다. 따라서, 제시문 (ㄹ)의 확률 p\displaystyle p는 위에서 계산한 세 개의 확률의 합이다.13×120+13252+112=1911260\displaystyle \frac13\times\frac1{20}+\frac{13}{252}+\frac1{12}=\frac{191}{1260}

+60점 · 조건부 확률 q=189953\displaystyle q=\frac{189}{953}

Correction. 채점기준의 합계는 210점으로, 문항 배점 200점과 다르다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[확률 q\displaystyle q 계산]제시문 (ㄹ)에 제시된 총 시행 횟수의 조건 X≤5\displaystyle X\leq5를 고려할 때, X=3\displaystyle X=3일 확률은 (1)에서 구한 120\displaystyle \frac1{20}이다.X=5\displaystyle X=5일 확률은 크게 세 가지로 나누어서 생각할 수 있다.① 첫 사건으로 먼저 U\displaystyle U가 두 번 일어난 후 (1)에서 고려한 사건의 조합이 일어나는 경우(UUWBA,UUBWA,UUBAW)\displaystyle (UUWBA,UUBWA,UUBAW)② 첫 사건으로 먼저 U\displaystyle U가 한 번 일어난 후 (2)에서 고려한 사건의 조합이 일어나는 경우(UBABW,UBBAW,UWBBA,UBWBA,UBBWA)\displaystyle (UBABW,UBBAW,UWBBA,UBWBA,UBBWA)③ 첫 사건으로 먼저 U\displaystyle U가 한 번 일어난 후 (3)에서 고려한 사건의 조합이 일어나는 경우(UWBBB,UBWBB,UBBWB,UBBBW)\displaystyle (UWBBB,UBWBB,UBBWB,UBBBW)따라서 X≤5\displaystyle X\leq5일 확률은 다음과 같다.120×(1+13+13×13)+13252×(1+13)+112×(1+13)=13180+13189+19\displaystyle \frac1{20}\times\left(1+\frac13+\frac13\times\frac13\right)+\frac{13}{252}\times\left(1+\frac13\right)+\frac1{12}\times\left(1+\frac13\right)=\frac{13}{180}+\frac{13}{189}+\frac19따라서 조건부 확률 q\displaystyle q는 다음과 같이 계산된다.12013180+13189+19=189953\displaystyle \frac{\frac1{20}}{\frac{13}{180}+\frac{13}{189}+\frac19}=\frac{189}{953}

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