수리논술, 이게 다다.

의예과 4번

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문제

[문항 4] 제시문 (ㄱ)~(ㄴ)을 읽고 논제에 답하시오. (200점)

(ㄱ) 주머니에 1부터 n\displaystyle n까지의 자연수가 각각 적혀있는 공 n\displaystyle n개가 들어있다. 이 주머니에서 임의로 2개의 공을 꺼낼 때, 꺼낸 공에 적힌 자연수 중 작은 수를 i\displaystyle i, 큰 수를 j\displaystyle j라고 하자. (단, n≥3\displaystyle n\geq3)

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 자연수 i\displaystyle i, j\displaystyle j에 대하여 i\displaystyle i, j−i\displaystyle j-i, n−j+1\displaystyle n-j+1 중 가장 작은 수를 확률변수 X\displaystyle X라고 하자.

논제. (200점) 제시문의 n\displaystyle n과 확률변수 X\displaystyle X, 1≤k≤n\displaystyle 1\leq k\leq n인 자연수 k\displaystyle k에 대하여 확률 P(X=k)\displaystyle P(X=k)와 n=29\displaystyle n=29, 30\displaystyle 30일 때의 X\displaystyle X의 기댓값을 각각 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+30점 · X\displaystyle X가 가질 수 있는 값 k\displaystyle k의 최댓값

제시문 (ㄴ)의 i\displaystyle i, j−i\displaystyle j-i, n−j+1\displaystyle n-j+1의 총 합은 항상 n+1\displaystyle n+1이고, X\displaystyle X는 세 값중 가장 작은 수이다. n+13\displaystyle \frac{n+1}{3}을 넘지 않는 제일 큰 자연수를 q\displaystyle q라 할 때, 확률변수 X\displaystyle X가 가질 수 있는 값 k\displaystyle k의 최댓값은 q\displaystyle q이며 X\displaystyle X가 q<k≤n\displaystyle q<k\leq n인 k\displaystyle k값을 가질 확률은 0\displaystyle 0이다.

+35점 · k<q\displaystyle k<q인 경우

(1) k<q\displaystyle k<q인 경우① i\displaystyle i가 최소인 경우 (i=k)\displaystyle (i=k), j\displaystyle j가 가질 수 있는 모든 가능한 값들의 집합은 {2k,2k+1,…,n−k+1}\displaystyle \{2k,2k+1,\ldots,n-k+1\}으로 총 n−3k+2\displaystyle n-3k+2개다.② n−j+1\displaystyle n-j+1가 최소인 경우 (j=n−k+1)\displaystyle (j=n-k+1), i\displaystyle i가 가질 수 있는 모든 가능한 값들 중 i\displaystyle i가 최솟값이 되는 경우를 제외한 값들의 집합은 {k+1,k+2,…,n−2k+1}\displaystyle \{k+1,k+2,\ldots,n-2k+1\}으로 총 n−3k+1\displaystyle n-3k+1개이다.③ j−i\displaystyle j-i가 최소인 경우 (i>k,j<n−k+1)\displaystyle (i>k,j<n-k+1), j−i\displaystyle j-i의 값이 k\displaystyle k이 되는 모든 가능한 순서쌍 중에서 i,n−k+1\displaystyle i,n-k+1이 k\displaystyle k가 되는 경우를 제외한 집합은 {(k+1,2k+1),…,(n−2k,n−k)}\displaystyle \{(k+1,2k+1),\ldots,(n-2k,n-k)\}로 n−3k\displaystyle n-3k개다.Correction. 최솟값을 비교하는 세 수는 i,j−i,n−j+1\displaystyle i,j-i,n-j+1이므로 이 줄의 i,n−k+1\displaystyle i,n-k+1은 i,n−j+1\displaystyle i,n-j+1의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 k<q\displaystyle k<q일 때 X=k\displaystyle X=k인 경우의 수의 총 합은 3(n−3k+1)\displaystyle 3(n-3k+1)이다.

+35점 · k=q\displaystyle k=q인 경우

(2) k=q\displaystyle k=q인 경우① n+1=3q\displaystyle n+1=3q일 때, i,j−i,n−j+1\displaystyle i,j-i,n-j+1이 모두 동일하게 q\displaystyle q인 경우이며, 이때 총 가능한 경우의 수는 1\displaystyle 1이다.② n+1=3q+1\displaystyle n+1=3q+1일 때, i,j−i,n−j+1\displaystyle i,j-i,n-j+1 중 두 값이 동일하게 q\displaystyle q가 되고, 나머지 하나의 값이 q+1\displaystyle q+1이 되는 경우이며, 이때 총 가능한 경우의 수는 3\displaystyle 3이다.③ n+1=3q+2\displaystyle n+1=3q+2일 때, i,j−i,n−j+1\displaystyle i,j-i,n-j+1 중 두 값이 동일하게 q\displaystyle q가 되고 나머지 한값이 q+2\displaystyle q+2가 되는 경우와 두 값이 동일하게 q+1\displaystyle q+1이 되고 나머지 하나의 값이 q\displaystyle q가 되는 경우로, 이때 총 가능한 경우의 수는 6\displaystyle 6이다.

+30점 · P(X=k)\displaystyle P(X=k)

제시문 (ㄱ)에 따라 뽑힌 두 자연수 i\displaystyle i와 j\displaystyle j의 모든 가능한 순서쌍의 개수는 n(n−1)2\displaystyle \frac{n(n-1)}{2}이므로 1\displaystyle 1이상인 자연수 m\displaystyle m에 대하여 P(X=k)\displaystyle P(X=k)는 다음과 같다.1) n=3m\displaystyle n=3m 일 때 P(X=k)={6(n−3k+1)n(n−1)(1≤k≤n3−1)6n(n−1)(k=n3)0(n3<k≤n)\displaystyle P(X=k)=\begin{cases}\frac{6(n-3k+1)}{n(n-1)}&\left(1\leq k\leq\frac{n}{3}-1\right)\\\frac{6}{n(n-1)}&\left(k=\frac{n}{3}\right)\\0&\left(\frac{n}{3}<k\leq n\right)\end{cases}2) n=3m+1\displaystyle n=3m+1일 때P(X=k)={6(n−3k+1)n(n−1)(1≤k≤n−13−1)12n(n−1)(k=n−13)0(n−13<k≤n)\displaystyle P(X=k)=\begin{cases}\frac{6(n-3k+1)}{n(n-1)}&\left(1\leq k\leq\frac{n-1}{3}-1\right)\\\frac{12}{n(n-1)}&\left(k=\frac{n-1}{3}\right)\\0&\left(\frac{n-1}{3}<k\leq n\right)\end{cases}3) n=3m+2\displaystyle n=3m+2일 때P(X=k)={6(n−3k+1)n(n−1)(1≤k≤n+13−1)2n(n−1)(k=n+13)0(n+13<k≤n)\displaystyle P(X=k)=\begin{cases}\frac{6(n-3k+1)}{n(n-1)}&\left(1\leq k\leq\frac{n+1}{3}-1\right)\\\frac{2}{n(n-1)}&\left(k=\frac{n+1}{3}\right)\\0&\left(\frac{n+1}{3}<k\leq n\right)\end{cases}

+35점 · n\displaystyle n이 29\displaystyle 29일때의 X\displaystyle X의 기댓값

n\displaystyle n이 29\displaystyle 29일때의 X\displaystyle X의 기댓값은,a=E(X)=∑k=196(29−3k+1)29×28×k+10×229×28=129×28[180∑k=19k−18∑k=19k2+20]=1495406\displaystyle \begin{aligned}a=E(X)&=\sum_{k=1}^{9}\frac{6(29-3k+1)}{29\times28}\times k+10\times\frac{2}{29\times28}\\&=\frac{1}{29\times28}\left[180\sum_{k=1}^{9}k-18\sum_{k=1}^{9}k^{2}+20\right]\\&=\frac{1495}{406}\end{aligned}

+35점 · n\displaystyle n이 30\displaystyle 30일때의 X\displaystyle X의 기댓값

n\displaystyle n이 30\displaystyle 30일때의 X\displaystyle X의 기댓값은b=E(X)=∑k=196(30+1−3k)30×29×k+10×630×29=130×29[186∑k=19k−18∑l=19k2+60]=11029\displaystyle \begin{aligned}b=E(X)&=\sum_{k=1}^{9}\frac{6(30+1-3k)}{30\times29}\times k+10\times\frac{6}{30\times29}\\&=\frac{1}{30\times29}\left[186\sum_{k=1}^{9}k-18\sum_{l=1}^{9}k^{2}+60\right]\\&=\frac{110}{29}\end{aligned}Correction. 합의 항이 k2\displaystyle k^2이므로 합 기호의 아래 첨자 l=1\displaystyle l=1은 k=1\displaystyle k=1의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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