수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1교시 1번

문제

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(1) 한 개의 주사위를 한 번 던져서 나온 눈의 수가 3의 배수일 확률은 13\displaystyle \frac13이다. 이때 주머니 A에서 임의로 2개의 공을 동시에 꺼낼 때 적힌 숫자들의 표본공간은 {(1,2),(1,3),(2,3)}\displaystyle \{(1,2),(1,3),(2,3)\}이고, 각 경우가 발생할 확률은 13\displaystyle \frac13이다. 주머니 B에서 임의로 1개의 공을 꺼낼 때 적힌 숫자들의 표본공간은 {1,2}\displaystyle \{1,2\}이고, 각 경우의 확률은 12\displaystyle \frac12이다. 예를 들어, 주머니 A에서 꺼낸 공이 (1,2)\displaystyle (1,2)이고, 주머니 B에서 꺼낸 공이 1일 때 확률은 13×13×12=118\displaystyle \frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}이고, 공에 적힌 숫자들의 합 k\displaystyle k는 4이다.

(2) 주사위의 눈의 수가 3의 배수가 아닐 확률은 23\displaystyle \frac23이다. 이때 주머니 A에서 임의로 1개의 공을 꺼낼 때 적힌 숫자들의 표본공간은 {1,2,3}\displaystyle \{1,2,3\}이고 각 경우의 확률은 13\displaystyle \frac13이고, 주머니 B에서 2개의 공을 동시에 꺼낼 때 적힌 숫자들의 표본공간은 {(1,2)}\displaystyle \{(1,2)\}이고 그때의 확률은 1이다. 예를 들어, 주머니 A에서 꺼낸 공이 1이고, 주머니 B에서 꺼낸 공이 (1,2)\displaystyle (1,2)일 때 확률은 23×13×1=29\displaystyle \frac23\times\frac13\times1=\frac29이고, 공에 적힌 숫자들의 합 k\displaystyle k는 4이다.

(3) 위와 같은 방식으로 얻은 시행의 결과는 다음과 같다.

주사위의 눈의 수주머니 A에서 꺼낸 공주머니 B에서 꺼낸 공k확률3의 배수인 경우(1,2)1413×13×12=118(1,2)2513×13×12=118(1,3)1513×13×12=118(1,3)2613×13×12=118(2,3)1613×13×12=118(2,3)2713×13×12=1183의 배수가 아닌 경우1(1,2)423×13×1=292(1,2)523×13×1=293(1,2)623×13×1=29\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c}\text{주사위의 눈의 수}&\text{주머니 A에서 꺼낸 공}&\text{주머니 B에서 꺼낸 공}&k&\text{확률}\\\hline\text{3의 배수인 경우}&(1,2)&1&4&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\&(1,2)&2&5&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\&(1,3)&1&5&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\&(1,3)&2&6&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\&(2,3)&1&6&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\&(2,3)&2&7&\frac13\times\frac13\times\frac12=\frac1{18}\\\hline\text{3의 배수가 아닌 경우}&1&(1,2)&4&\frac23\times\frac13\times1=\frac29\\&2&(1,2)&5&\frac23\times\frac13\times1=\frac29\\&3&(1,2)&6&\frac23\times\frac13\times1=\frac29\end{array}

(4) 반지름의 길이가 k3\displaystyle k-3인 원기둥의 높이는 그림 1에서 도형의 닮음을 이용하면 (162k)\displaystyle (16-2k)로 계산할 수 있고, 원기둥의 부피는 (k3)2(162k)π\displaystyle (k-3)^2(16-2k)\pi이다.

그림 1: 닮음을 이용한 원기둥의 높이
+4점 · k\displaystyle k의 값, 그때의 확률, 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 각: +4점(총 +16점) - k\displaystyle k의 값과 그때의 확률을 정확히 계산하면 +2점 - 원기둥의 높이를 정확히 계산하면 +1점 - 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 +1점

(5) k=4\displaystyle k=4일 때의 확률은 118+29=518\displaystyle \frac1{18}+\frac29=\frac5{18}이고, 이때 원기둥의 반지름의 길이는 1, 높이는 8, 부피는 8π\displaystyle 8\pi이다.

+4점 · k\displaystyle k의 값, 그때의 확률, 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 각: +4점(총 +16점) - k\displaystyle k의 값과 그때의 확률을 정확히 계산하면 +2점 - 원기둥의 높이를 정확히 계산하면 +1점 - 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 +1점

(6) k=5\displaystyle k=5일 때의 확률은 118+118+29=618\displaystyle \frac1{18}+\frac1{18}+\frac29=\frac6{18}이고, 이때 반지름의 길이는 2, 높이는 6, 부피는 24π\displaystyle 24\pi이다.

+4점 · k\displaystyle k의 값, 그때의 확률, 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 각: +4점(총 +16점) - k\displaystyle k의 값과 그때의 확률을 정확히 계산하면 +2점 - 원기둥의 높이를 정확히 계산하면 +1점 - 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 +1점

(7) k=6\displaystyle k=6일 때의 확률은 118+118+29=618\displaystyle \frac1{18}+\frac1{18}+\frac29=\frac6{18}이고, 이때 반지름의 길이는 3, 높이는 4, 부피는 36π\displaystyle 36\pi이다.

+4점 · k\displaystyle k의 값, 그때의 확률, 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 각: +4점(총 +16점) - k\displaystyle k의 값과 그때의 확률을 정확히 계산하면 +2점 - 원기둥의 높이를 정확히 계산하면 +1점 - 원기둥의 부피를 정확히 계산하면 +1점

(8) k=7\displaystyle k=7일 때의 확률은 118\displaystyle \frac1{18}이고, 이때 반지름의 길이는 4, 높이는 2, 부피는 32π\displaystyle 32\pi이다.

(9) 시행의 결과는 다음과 같고, 이를 이용하여 점수의 기댓값을 계산할 수 있다.

k확률원기둥의 밑면의 반지름원기둥의 높이원기둥의 부피4518188π56182624π66183436π71184232π\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c}k&\text{확률}&\text{원기둥의 밑면의 반지름}&\text{원기둥의 높이}&\text{원기둥의 부피}\\\hline4&\frac5{18}&1&8&8\pi\\5&\frac6{18}&2&6&24\pi\\6&\frac6{18}&3&4&36\pi\\7&\frac1{18}&4&2&32\pi\end{array}

+4점 · 원기둥의 부피의 기댓값을 정확히 계산하면

기댓값=(518×8π)+(618×24π)+(618×36π)+(118×32π)=π18{(5×8)+(6×24)+(6×36)+(1×32)}=43218π=2169π=24π\displaystyle \begin{aligned}\text{기댓값}&=\left(\frac5{18}\times8\pi\right)+\left(\frac6{18}\times24\pi\right)+\left(\frac6{18}\times36\pi\right)+\left(\frac1{18}\times32\pi\right)\\&=\frac\pi{18}\{(5\times8)+(6\times24)+(6\times36)+(1\times32)\}\\&=\frac{432}{18}\pi=\frac{216}9\pi=24\pi\end{aligned}

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 부분 점수를 부여할 수 있습니다.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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