수리논술, 이게 다다.

일반형 1번

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문제

[문제 1] (20점) 갑과 을, 두 사람이 아래와 같은 규칙으로 게임을 한다. 풀이와 함께 물음에 답하시오.

• 갑은 1부터 n\displaystyle n까지의 자연수가 각각 하나씩 적힌 n\displaystyle n장의 카드에서 임의로 한 장의 카드를 꺼낸다. 단, n≥11\displaystyle n\ge 11이다.• 을은 1부터 11까지의 자연수가 각각 하나씩 적힌 11장의 카드에서 특정 수 k(1≤k≤11)\displaystyle k(1\le k\le 11)가 적힌 카드는 제거하고, 나머지 10장의 카드 중에서 임의로 한 장의 카드를 꺼낸다.• 두 사람이 꺼낸 카드에 적힌 수를 비교하여 더 큰 수를 꺼낸 사람이 승자가 된다.• 만약 두 수가 동일하면 무승부가 되고, 꺼낸 카드는 다시 넣는다.• 게임은 승부가 날 때까지 같은 규칙으로 진행한다.

갑이 승자가 될 확률과 을이 승자가 될 확률이 서로 같아지도록 하는 순서쌍 (n,k)\displaystyle (n,k)를 모두 구하시오.

해설강의 준비중

편의를 위해 갑이 꺼낸 카드의 숫자를 X\displaystyle X라 하고, 을이 꺼낸 카드의 숫자를 Y\displaystyle Y라 하자.

각 확률변수의 확률분포는 다음과 같다.P(X=l)=1n,l∈{1,2,…,n}\displaystyle P(X=l)=\frac{1}{n},\qquad l\in\{1,2,\ldots,n\}P(Y=l)={110,l∈{1,2,…,11}−{k}0,l=k\displaystyle P(Y=l)=\begin{cases}\dfrac{1}{10}, & l\in\{1,2,\ldots,11\}-\{k\}\\[4pt] 0, & l=k\end{cases}

+4점 · 무승부 경우를 고려하여 확률이 같은 경우를 올바르게 구한 경우

무승부가 발생하면 동일한 확률 구조의 시행이 다시 시작되므로 최종 승리 확률은 반복 시행에 따른 등비급수로 아래와 같이 표현된다.한 번의 시행에서 무승부가 나올 확률을 r\displaystyle r, 갑이 승자가 될 확률을 p\displaystyle p, 을이 승자가 될 확률을 q\displaystyle q라 하자. 갑이 승자가 될 확률은p+rp+r2p+⋯=p1−r\displaystyle p+rp+r^{2}p+\cdots=\frac{p}{1-r}이고, 을이 승자가 될 확률은q+rq+r2q+⋯=q1−r\displaystyle q+rq+r^{2}q+\cdots=\frac{q}{1-r}이다. 따라서 두 확률이 같아지는 경우는 p1−r=q1−r\displaystyle \frac{p}{1-r}=\frac{q}{1-r}, 즉 p=q\displaystyle p=q이므로 한 번의 시행에서 갑이 이길 확률과 을이 이길 확률만 고려하면 된다.

+14점 · 갑과 을의 승자가 될 확률을 올바르게 구한 경우

한 번의 시행에서 을이 승자가 될 경우는 아래와 같다.

을이 꺼낸 카드갑이 꺼낸 카드경우의 수
1–0
211
31,22
………
111,2,…,1010

따라서, 을이 꺼낸 카드가 y\displaystyle y일 때, 을이 승자가 되는 경우의 수는 y−1\displaystyle y-1이다. 단, 을이 k\displaystyle k가 적힌 카드를 꺼낼 수 없으므로 해당 경우는 제외한다.을이 꺼낼 수 있는 카드 집합을 S={1,2,…,11}−{k}\displaystyle S=\{1,2,\ldots,11\}-\{k\}라 할 때, 을이 승자가 될 경우를 모두 구하면 ∑y∈S(y−1)=(0+1+⋯+10)−(k−1)=56−k\displaystyle \sum_{y\in S}(y-1)=(0+1+\cdots+10)-(k-1)=56-k이다. 따라서 을이 승자가 될 확률은 전체 경우의 수 10n\displaystyle 10n으로 나눈 56−k10n\displaystyle \frac{56-k}{10n}이다.

한 번의 시행에서 무승부일 확률은 X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y의 값이 S={1,2,…,11}−{k}\displaystyle S=\{1,2,\ldots,11\}-\{k\} 중 한 값으로 같아야 한다. 을이 어떤 카드를 내든 갑은 그와 똑같은 숫자의 카드를 무조건 1장씩 가지고 있으므로, 무승부일 확률은10×1n×110=1n\displaystyle 10\times\frac{1}{n}\times\frac{1}{10}=\frac{1}{n}이다.

한 번의 시행에서 갑이 승자가 될 경우는 X>Y\displaystyle X>Y이며, 전체 확률이 1임을 이용하여1−1n−56−k10n=10n−66+k10n\displaystyle 1-\frac{1}{n}-\frac{56-k}{10n}=\frac{10n-66+k}{10n}

+2점 · 수식을 통해 순서쌍 (n,k)\displaystyle (n,k)를 정확히 찾은 경우

따라서, 갑이 승자가 될 확률과 을이 승자가 될 확률을 같게 두면10n−66+k10n=56−k10n\displaystyle \frac{10n-66+k}{10n}=\frac{56-k}{10n}10n+2k=122\displaystyle 10n+2k=122이며, n≥11\displaystyle n\ge 11인 범위에서 이를 만족하는 순서쌍 (n,k)\displaystyle (n,k)는 (11,6)\displaystyle (11,6), (12,1)\displaystyle (12,1)이다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 1\displaystyle 1~2\displaystyle 2점의 부분 점수를 부여함.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1\displaystyle \pm1점 부여 가능함.

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