수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

검은 공 4\displaystyle 4개와 흰 공 2\displaystyle 2개가 들어있는 주머니가 있다. 이때, 원점에 놓여있는 점 P를 다음 규칙에 따라 좌표평면 위에서 이동시키는 시행을 한다.

• 주머니에서 1\displaystyle 1개의 공을 꺼낸 후, 이 공이 검은 공일 경우 점 P를 (x,y)\displaystyle (x,y)에서 (2x+2, y)\displaystyle (2x+2,\,y)로 이동시키고, 흰 공일 경우 (x,y)\displaystyle (x,y)에서 (x, 3y−3)\displaystyle (x,\,3y-3)으로 이동시킨다.

• 점 P를 이동시킨 후 꺼낸 공은 다시 주머니에 넣는다.

이와 같은 시행을 4\displaystyle 4번 반복한 후, 점 P의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 합의 기댓값을 구하시오. [20점]

+3점 · 검은 공 또는 흰 공의 개수에 대한 이항분포를 올바르게 찾은 경우

주머니에서 검은 공 1\displaystyle 1개를 꺼낼 확률은 46=23\displaystyle \frac{4}{6}=\frac{2}{3}, 흰 공 1\displaystyle 1개를 꺼낼 확률은 26=13\displaystyle \frac{2}{6}=\frac{1}{3}이다. 이와 같은 상황에서 주어진 시행을 4\displaystyle 4번 반복할 때, 검은 공이 나오는 횟수를 m\displaystyle m, 흰 공이 나오는 횟수를 n\displaystyle n이라 하자. 이때, m+n=4\displaystyle m+n=4를 만족하고, 검은 공이 m\displaystyle m번과 흰 공이 n\displaystyle n번 나오는 확률은 4Cm(23)m(13)n\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{m}\left(\frac{2}{3}\right)^{m}\left(\frac{1}{3}\right)^{n}이다.

+12점 · 검은 공과 흰 공 개수의 조합에 따라 이동 후 점 P의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표를 올바르게 찾은 경우

이동한 점 P의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표를 구하면 다음과 같다.

[방법 1] 4\displaystyle 4번의 시행에서 검은 공이 m\displaystyle m번, 흰 공이 n\displaystyle n번 나왔을 때, 이동한 점 P의 x\displaystyle x좌표를 am\displaystyle a_{m}, y\displaystyle y좌표를 bn\displaystyle b_{n}이라 하면, 수열의 귀납적 정의를 통해 각 수열은 다음과 같이 표현된다.a0=0, am+1=2am+2, m=0,1,2,3,4\displaystyle a_{0}=0,\ a_{m+1}=2a_{m}+2,\ m=0,1,2,3,4b0=0, bn+1=3bn−3, n=0,1,2,3,4\displaystyle b_{0}=0,\ b_{n+1}=3b_{n}-3,\ n=0,1,2,3,4

따라서, 점 P의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 합을 확률변수 X\displaystyle X라고 정의하면, X\displaystyle X의 확률분포는 다음 표와 같다.

조합m\displaystyle mn\displaystyle nx\displaystyle x좌표y\displaystyle y좌표X\displaystyle XP(X=x)\displaystyle \mathrm{P}(X=x)
Ⅰ0\displaystyle 04\displaystyle 40\displaystyle 0−120\displaystyle -120−120\displaystyle -1204C0(23)0(13)4=181\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{0}\left(\frac{2}{3}\right)^{0}\left(\frac{1}{3}\right)^{4}=\frac{1}{81}
Ⅱ1\displaystyle 13\displaystyle 32\displaystyle 2−39\displaystyle -39−37\displaystyle -374C1(23)1(13)3=881\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{1}\left(\frac{2}{3}\right)^{1}\left(\frac{1}{3}\right)^{3}=\frac{8}{81}
Ⅲ2\displaystyle 22\displaystyle 26\displaystyle 6−12\displaystyle -12−6\displaystyle -64C2(23)2(13)2=2481\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{2}\left(\frac{2}{3}\right)^{2}\left(\frac{1}{3}\right)^{2}=\frac{24}{81}
Ⅳ3\displaystyle 31\displaystyle 114\displaystyle 14−3\displaystyle -311\displaystyle 114C3(23)3(13)1=3281\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{3}\left(\frac{2}{3}\right)^{3}\left(\frac{1}{3}\right)^{1}=\frac{32}{81}
Ⅴ4\displaystyle 40\displaystyle 030\displaystyle 300\displaystyle 030\displaystyle 304C4(23)4(13)0=1681\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{4}\left(\frac{2}{3}\right)^{4}\left(\frac{1}{3}\right)^{0}=\frac{16}{81}
+5점 · 점 P의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 합의 기댓값을 정확히 계산한 경우

확률변수 X\displaystyle X의 기댓값은 −120×181−37×881−6×2481+11×3281+30×1681=27281\displaystyle -120\times\frac{1}{81}-37\times\frac{8}{81}-6\times\frac{24}{81}+11\times\frac{32}{81}+30\times\frac{16}{81}=\frac{272}{81}이다.

※ 계산 실수로 틀렸어도 논리 전개 과정이 맞으면 해당 부분에 1\displaystyle 1~2\displaystyle 2점의 부분 점수를 부여함.

※ 각 부분에서 바르게 답안을 작성한 경우에도 답안의 완성도에 따라 총점 20\displaystyle 20점 이내에서 ±1\displaystyle \pm1점 추가 점수 부여 가능함.

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