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해설강의 준비중
동국대 2023학년도 수시 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/dongguk/2023su/jayeon_2
1단계 · 출제 의도에 가장 잘 들어맞는 답안의 풀이 순서는 다음과 같다.
이산확률변수 X의 기댓값 E(X)을 정의에 맞게 표현하고, 정적분과 급수의 합 사이의 관계 및 수열의 극한에 대한 기본 성질을 이용하여 기댓값의 극한을 정적분으로 나타내었다.
[1단계]제시문 [가]에 의해 E(X)=i=1∑nxiP(X=xi)=i=1∑nxi∑j=1ng(xj)g(xi)=∑j=1ng(xj)∑i=1nxig(xi)제시문 [나]를 활용하면 연속인 함수 h(x)=xg(x)와 g(x)에 대해 다음이 성립한다.n→∞limi=1∑nh(xi)Δx=∫01h(x)dx=∫01xe−axdxn→∞limj=1∑ng(xj)Δx=∫01g(x)dx=∫01e−axdx즉, 두 급수는 닫힌구간 [0,1]에서 연속인 함수의 정적분으로 표현될 수 있고, 이는 함수 h(x)≥0 (또는 g(x)>0), x축, 직선 x=0과 직선 x=1로 둘러싸인 넓이이므로 두 급수 모두 0보다 큰 값으로 수렴한다.따라서, E(X)의 극한은 제시문 [다]에 의해 다음과 같이 나타낸다.n→∞limE(X)=n→∞lim∑j=1ng(xj)Δx∑i=1nh(xi)Δx=limn→∞∑j=1ng(xj)Δxlimn→∞∑i=1nh(xi)Δx=∫01g(x)dx∫01h(x)dx=a∫01e−axdxa∫01xe−axdx=1−e−a∫01axe−axdx
2단계 · 정적분으로 표현된 기댓값 E(X)의 극한을 부분적분법을 활용하여 구하였다.
[2단계]위 정적분은 다음과 같이 부분적분법을 활용하여 구한다.n→∞limE(X)=1−e−a1∫01axe−axdx=1−e−a1⎩⎨⎧[−xe−ax]01−∫01(−e−ax)dx⎭⎬⎫=1−e−a1{−e−a−a1(e−a−1)}=a1−1−e−ae−a
3단계 · 이산확률변수의 분산 V(X)을 정의에 맞게 표현하고 (V(X)=E(X2)−{E(X)}2), 정적분과 급수의 합 사이의 관계 및 수열의 극한에 대한 기본 성질을 활용하여 n→∞limE(X2)을 정적분으로 나타내었다.
[3단계]제시문 [가]에 의해 V(X)=E(X2)−{E(X)}2이다.먼저 E(X2)은 다음과 같이 표현한다.E(X2)=i=1∑nxi2P(X=xi)=i=1∑nxi2∑j=1ng(xj)g(xi)=∑j=1ng(xj)∑i=1nxi2g(xi)위 E(X)를 구하는 과정과 유사하게 f(x)=x2g(x)라 하면n→∞limi=1∑nf(xi)Δx=∫01f(x)dx=∫01x2e−axdx이고 이 급수는 0보다 큰 값으로 수렴한다.따라서, n→∞limE(X2)는 다음과 같이 구한다.n→∞limE(X2)=n→∞lim∑j=1ng(xj)Δx∑i=1nf(xi)Δx=limn→∞∑j=1ng(xj)Δxlimn→∞∑i=1nf(xi)Δx=1−e−a∫01ax2e−axdx
4단계 · 정적분으로 표현된 n→∞limE(X2)을 부분적분법을 활용하여 그 값을 구하였다.
[4단계]n→∞limE(X2)는 부분적분법을 활용하여 다음과 같이 나타낸다.n→∞limE(X2)=1−e−a1∫01ax2e−axdx=1−e−a1⎩⎨⎧[−x2e−ax]01−∫01(−2xe−ax)dx⎭⎬⎫=−1−e−ae−a+a2{a1−1−e−ae−a}
5단계 · n→∞lim{E(X)}2을 정확히 나타내었다.
[5단계]앞에서 구한 n→∞limE(X)를 이용하고 제시문 [다]를 적용하면n→∞lim{E(X)}2={a1−1−e−ae−a}2
6단계 · 분산의 극한 n→∞limV(X)의 정확한 값을 구하였다.
[6단계]따라서, n→∞limV(X)는 다음과 같이 나타낸다.n→∞limV(X)=n→∞limE(X2)−n→∞lim{E(X)}2=−1−e−ae−a+a2{a1−1−e−ae−a}−{a1−1−e−ae−a}2=a21−1−e−ae−a{1+1−e−ae−a}=a21−(1−e−a)2e−a