수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

오류 제보

문제

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

[가] 반지름의 길이가 r\displaystyle r, 중심각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 부채꼴의 호의 길이를 l\displaystyle l, 넓이를 S\displaystyle S라고 하면 l=rθ, S=12r2θ=12rl\displaystyle l=r\theta,\ S=\frac12r^2\theta=\frac12rl-『고등학교 수학 I』

[나] 어떤 시행에서 사건 A\displaystyle A가 일어날 수학적 확률이 p\displaystyle p이고, n\displaystyle n회의 독립시행에서 사건 A\displaystyle A가 일어나는 횟수를 X\displaystyle X라고 하면 임의의 작은 양수 h\displaystyle h에 대하여 확률 P(∣Xn−p∣<h)\displaystyle \mathrm P\left(\left|\frac Xn-p\right|<h\right)는 n\displaystyle n이 한없이 커짐에 따라 1\displaystyle 1에 한없이 가까워진다.-『고등학교 수학 I』

[다] 일반적으로 동일한 시행을 n\displaystyle n번 반복해서 사건 A\displaystyle A가 rn\displaystyle r_n번 일어난다고 하자.시행 횟수 n\displaystyle n이 한없이 커짐에 따라 상대도수 rnn\displaystyle \frac{r_n}n이 일정한 값에 가까워지면 이 일정한 값을 사건 A\displaystyle A가 일어날 통계적 확률이라고 한다. 현실적으로 시행 횟수 n\displaystyle n을 한없이 크게 할 수 없으므로 n\displaystyle n이 충분히 클 때의 상대도수 rnn\displaystyle \frac{r_n}n을 통계적 확률로 사용한다.한편, 어떤 시행에서 사건 A\displaystyle A가 일어날 수학적 확률이 p\displaystyle p일 때, 그 시행 횟수 n\displaystyle n을 충분히 크게 하면 사건 A\displaystyle A가 일어나는 상대도수 rnn\displaystyle \frac{r_n}n은 수학적 확률 p\displaystyle p에 가까워진다는 것이 알려져 있다.따라서 통계적 확률과 수학적 확률은 같다는 것을 알 수 있다.-『고등학교 수학 I』

[문제3] 윷놀이의 한 시행은 총 4개의 윷가락(혹은 윷짝)들을 동시에 던지는 것이고, 각 윷가락은 아래 그림의 (ㄱ)과 같이 높이 10cm, 반지름이 1cm인 원통의 윗 단면인 그림 (ㄴ)의 원 위에서 현 AB를 따라 원통을 수직으로 절단해서 4개의 윷가락들을 만들었다고 가정하자.

원통을 현 AB를 따라 수직으로 절단한 윷가락

이렇게 제작된 4개의 윷가락들로 총 1000번의 시행으로 나타날 수 있는 결과는 다음과 같다.

결과정의빈도
도4개의 윷가락 중 1개는 배, 3개는 등110
개4개의 윷가락 중 2개는 배, 2개는 등311
걸4개의 윷가락 중 3개는 배, 1개만 등384
윷4개의 윷가락 중 4개 모두 배179
모4개의 윷가락 중 4개 모두 등16

다음 규칙에 따라 현 AB의 길이 d\displaystyle d를 ∠AOB=θ\displaystyle \angle AOB=\theta의 식으로 표현하라.

① 윷가락을 던졌을 때 반드시 등 또는 배가 위로 나타난다. 즉, 윗 단면이나 아랫 단면이 위로 나오는 결과의 확률은 0이다.② 윷가락의 배와 등이 나타나는 확률은 각각 둥근 면과 평평한 면의 겉면적에 비례한다.③ 각 윷가락은 확률 p\displaystyle p로 현 AB의 수직 절단 면인 배(평평한 면)가 위로 나타나거나, 확률 1−p\displaystyle 1-p로 등(둥근 면)이 위로 나타나며, 서로 독립적으로 결과가 나타난다. 즉, 어느 하나의 윷가락의 결과가 다른 윷가락의 결과에 영향을 미치지 않는다.④ ∠AOB<π\displaystyle \angle AOB<\pi이다.

<27줄 이내>

해설강의 준비중
1단계 · 윷놀이 결과에서 평평한 면이 나온 횟수를 파악한다.

[1단계]4개의 윷가락들을 던져 나온 배(평평한 면)의 수를 X\displaystyle X라 하면 문제에서 주어진 1000번의 시행의 결과를 통해 평평한 면이 나온 횟수는 다음과 같다.

결과XXXX의 빈도
도1110×1=110110\times1=110
개2311×2=622311\times2=622
걸3384×3=1152384\times3=1152
윷4179×4=716179\times4=716
모016×0=016\times0=0
2단계 · 윷가락의 평평한 면이 나올 통계적 확률을 계산한다.

[2단계]위 결과를 이용해서 한 윷가락의 평평한 면(사건 A\displaystyle A)이 나타날 통계적 확률 p′\displaystyle p^{\prime}은 다음과 같이 계산된다.p′=110+622+1152+7164×1000=26004000=0.65\displaystyle p^{\prime}=\frac{110+622+1152+716}{4\times1000}=\frac{2600}{4000}=0.65

3단계

[3단계]제시문 [다]에 의해 시행의 횟수 n=4×1000\displaystyle n=4\times1000가 크므로 통계적 확률 p′\displaystyle p^{\prime}과 수학적 확률 p\displaystyle p는 같다.Caution. 극한값에 가까워진다는 사실을 그 값과 같다는 뜻으로 해석해선 안 된다: 여기서는 상대도수 0.65\displaystyle 0.65를 실제 확률의 근삿값으로 사용한다. 독립시행을 반복하여 시행 횟수가 커지면 상대도수가 실제 확률에 가까울 확률이 커진다는 뜻이지, 유한한 시행에서 얻은 상대도수와 실제 확률이 반드시 같다는 뜻은 아니다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

4단계

[4단계]한편 각 윷가락에서 배가 위로 나타날 확률은 중심각 2π−θ\displaystyle 2\pi-\theta를 갖는 부채꼴 OAB가 단면인 기둥에서 호 AB에 해당하는 기둥의 면적인 10(2π−θ)\displaystyle 10(2\pi-\theta)이고 등이 위로 나타날 확률은 현 AB의 수직 단면적의 넓이인 10d\displaystyle 10d이다.Comment. ‘확률은 … 면적이다’는 ‘확률은 … 면적에 비례한다’로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

5단계 · 윷가락의 둥근 면과 평편한 면이 나오는 확률의 비를 겉면적의 비로 표현한다.

[5단계]이를 이용해서 다음의 비례식을 세울 수 있다.0.35:0.65=10d:10(2π−θ)\displaystyle 0.35:0.65=10d:10(2\pi-\theta)⇔d=713(2π−θ)\displaystyle \Leftrightarrow d=\frac7{13}(2\pi-\theta)

6단계 · 현 AB의 길이를 θ\displaystyle \theta로 표현한다.

[6단계]따라서, 현 AB의 길이 d\displaystyle d는 713(2π−θ)\displaystyle \frac7{13}(2\pi-\theta) cm이다.

채점 기준배점
상[1단계]부터 [6단계]까지를 모두 보인 경우S
상[1단계]부터 [5단계]까지를 모두 보인 경우A
중[1단계]부터 [4단계]까지를 모두 보인 경우B
중[1단계]부터 [3단계]까지를 모두 보인 경우C
중[1단계]부터 [2단계]까지를 모두 보인 경우D
하[1단계]만 보인 경우E
하어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우F

출제 의도에 가장 잘 들어맞는 답안의 풀이 순서는 다음과 같다.

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