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자연계열 3번

문제

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[문제 3-1]확률변수 Y\displaystyle Y를 주머니 속 구슬에 적힌 숫자라 하고 P(Y=y)\displaystyle P(Y=y)를 확률변수 Y\displaystyle Y가 어떤 값 y\displaystyle y를 가질 확률이라고 하자. 주머니 속 30개의 구슬 중 숫자 1, 2, 3이 적힌 구슬의 갯수가 각각 l\displaystyle l, m\displaystyle m, 10이므로 P(Y=1)=l30\displaystyle P(Y=1)=\frac l{30}, P(Y=2)=m30\displaystyle P(Y=2)=\frac m{30}, P(Y=3)=1030\displaystyle P(Y=3)=\frac{10}{30}이 되고 이를 정리하면 Y\displaystyle Y의 확률분포는 다음과 같다.

Y=1,2,3의 확률이 각각 p,q,1/3인 확률분포표
<표 1. 확률변수 Y\displaystyle Y의 확률분포표>

여기서 p=l30\displaystyle p=\frac l{30}, q=m30\displaystyle q=\frac m{30}이고 p+q=23\displaystyle p+q=\frac23을 만족한다.

임의추출된 a,b,c\displaystyle a,b,c에 의해 만들어진 이차방정식 ax2+2bx+c=0\displaystyle ax^2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우는 판별식 D=b2ac\displaystyle D=b^2-ac가 0이 되어야 하므로 b2=ac\displaystyle b^2=ac가 되는 경우들이다. 즉, b=1\displaystyle b=1인 경우에는 a=1\displaystyle a=1c=1\displaystyle c=1이어야 하며, b=2\displaystyle b=2인 경우에는 a=2\displaystyle a=2c=2\displaystyle c=2가 추출되어야 하고, b=3\displaystyle b=3인 경우에는 a=3\displaystyle a=3c=3\displaystyle c=3이 추출되는 경우만이 이에 해당된다. 그러므로 a,b,c\displaystyle a,b,c가 모두 1이거나, 모두 2이거나 혹은 모두 3이면 이차방정식 ax2+2bx+c=0\displaystyle ax^2+2bx+c=0이 중근을 가진다.

한편, 3개의 구슬을 복원추출로 임의추출할 경우 각각의 추출은 독립시행이므로 위 <표 1>의 확률분포표를 이용하면 a,b,c\displaystyle a,b,c가 모두 1이 될 확률은 p3\displaystyle p^3, 모두 2가 될 확률은 q3\displaystyle q^3, 그리고 모두 3이 될 확률은 (13)3\displaystyle \left(\frac13\right)^3이 된다. 그러므로 이차방정식 ax2+2bx+c=0\displaystyle ax^2+2bx+c=0이 중근을 가질 확률은 p3+q3+(13)3\displaystyle p^3+q^3+\left(\frac13\right)^3이 되며, 이 확률은 p+q=23\displaystyle p+q=\frac23의 관계에 의해서 p3+(23p)3+127\displaystyle p^3+\left(\frac23-p\right)^3+\frac1{27}된다. 이 확률은p3+(23p)3+127=p3+8273×49p+3×23p2p3+127=2p243p+13=2(p13)2+19\displaystyle \begin{aligned}&p^3+\left(\frac23-p\right)^3+\frac1{27}\\&=p^3+\frac8{27}-3\times\frac49p+3\times\frac23p^2-p^3+\frac1{27}\\&=2p^2-\frac43p+\frac13\\&=2\left(p-\frac13\right)^2+\frac19\end{aligned} ----------(1)이 된다. 여기서 0p23\displaystyle 0\leq p\leq\frac23이다. 그러므로 p=13\displaystyle p=\frac13이 될 때 이차방정식이 중근을 가질 확률이 최소가 되다. 따라서 p+q=23\displaystyle p+q=\frac23이므로 q=13\displaystyle q=\frac13이며, 이 때 1과 2가 적힌 구슬의 각각의 갯수는 l=m=10\displaystyle l=m=10이 된다.

[문제 3-2]복원추출로 3개의 구슬을 임의추출하여 만든 이차방정식 ax2+2bx+c=0\displaystyle ax^2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우는 [문제 3-1]의 모범답안에서 설명하였듯이 a,b,c\displaystyle a,b,c가 모두 1이거나, 모두 2이거나 혹은 모두가 3인 경우이다. 또한, [문제 3-1]의 결과에 의하면 세 숫자의 갯수는 l=m=n=10\displaystyle l=m=n=10이다. 따라서, 이차방정식 ax2+2bx+c=0\displaystyle ax^2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우의 확률은 [문제 3-1]의 식 (1)의 결과에 의해 19\displaystyle \frac19이다.

한편, 제시문 (2)에 설명된 시행의 횟수로 정의된 확률변수 X\displaystyle X1,2,,10\displaystyle 1,2,\cdots,10을 가질 수 있다. P(X=k)\displaystyle P(X=k)를 확률변수 X\displaystyle X가 어떤 값 k\displaystyle k를 가질 확률이라 하면, 10보다 작은 자연수 k\displaystyle k에 대하여, (k1)\displaystyle (k-1)번 시행까지는 추출된 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)가 중근을 만들지 못하고 k\displaystyle k번 시행에서 추출된 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)가 중근을 만들기 때문에 다음과 같이 P(X=k)\displaystyle P(X=k)가 구해진다.P(X=1)=19\displaystyle P(X=1)=\frac19, P(X=2)=89×19\displaystyle P(X=2)=\frac89\times\frac19, ----------(2)P(X=3)=(89)2×19,\displaystyle P(X=3)=\left(\frac89\right)^2\times\frac19,\cdots, P(X=9)=(89)8×19\displaystyle P(X=9)=\left(\frac89\right)^8\times\frac19 ----------(3)

10번째까지 시행을 한 경우의 확률은 10번째 시행에서 추출된 a,b,c\displaystyle a,b,c가 중근을 만들 확률과 10번째 시행까지 만들어진 a,b,c\displaystyle a,b,c 모두가 중근을 만들지 못할 확률을 더해준 것으로 다음과 같다.P(X=10)=(89)9×19+(89)10=(89)9\displaystyle P(X=10)=\left(\frac89\right)^9\times\frac19+\left(\frac89\right)^{10}=\left(\frac89\right)^9 ----------(4)

그러므로, 식 (2), (3)과 (4)을 종합해보면 확률변수 X\displaystyle X의 확률질량함수는 다음과 같이 된다.P(X=k)={(89)k1×(19),(k=1,2,,9)(89)9,(k=10)\displaystyle P(X=k)=\begin{cases}\left(\frac89\right)^{k-1}\times\left(\frac19\right),&(k=1,2,\cdots,9)\\\left(\frac89\right)^9,&(k=10)\end{cases}. ----------(5)

[문제 3-3]중근이 나올 때까지 시행횟수가 k\displaystyle k보다 클 확률을 구해보자. 만약 k<10\displaystyle k<10이라 하면, [문제 3-2]의 식 (5)에 있는 X\displaystyle X의 확률질량함수를 이용하여 계산하면P(X>k)=1P(Xk)=119(1(89)k189)=(89)k\displaystyle \begin{aligned}P(X>k)&=1-P(X\leq k)\\&=1-\frac19\left(\frac{1-\left(\frac89\right)^k}{1-\frac89}\right)\\&=\left(\frac89\right)^k\end{aligned} ----------(6)이다. 그러므로 P(X>k)=(89)k<0.5\displaystyle P(X>k)=\left(\frac89\right)^k<0.5을 계산하기 위하여 양변에 상용로그를 취하면 k(log8log9)<log0.5\displaystyle k(\log8-\log9)<\log0.5가 된다. 따라서k(log8log9)<log0.5\displaystyle k(\log8-\log9)<\log0.5k(3log22log3)<log2\displaystyle k(3\log2-2\log3)<-\log2k>log22log33log2=0.302×0.483×0.30=0.300.06=5\displaystyle k>\frac{\log2}{2\log3-3\log2}=\frac{0.30}{2\times0.48-3\times0.30}=\frac{0.30}{0.06}=5 ----------(7)가 성립한다. 구하는 최소의 자연수 k\displaystyle k는 6이 된다.

문항등급채점 기준
3-1A+중근이 될 확률이 숫자 1, 2 중 한 숫자가 적힌 구슬의 갯수로 표현한 확률로 표현할 수 있고, 중근이 될 확률이 최소가 되게 하는 한 방법을 사용하여 숫자 1과 2가 적힌 구슬의 갯수를 구할 수 있다. 풀이 과정에서 사용된 방법이 구체적으로 서술되고 “예시답안”처럼 숫자 1 혹은 2의 확률이 0과 2/3 사이라는 것, 두 확률의 합이 2/3이라는 것 등 조건을 구체적으로 잘 설명할 수 있다.
3-1A중근이 될 확률을 숫자 1, 2 중 한 숫자가 적힌 구슬의 갯수로 표현한 확률로 표현할 수 있고, 중근이 될 확률이 최소가 되게 하는 한 방법을 사용하여 숫자 1과 2가 적힌 구슬의 갯수를 구할 수 있다.
3-1B+주머니 속 각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포를 서술하고, 이 확률분포를 이용하여 중근이 될 확률을 계산할 수 있다. 풀이 과정에서 독립시행, 확률분포(확률질량함수) 등의 용어를 사용하며 그렇게 되는 이유를 들어 서술할 수 있다.
3-1B주머니 속 각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포를 서술하고, 이 확률분포를 이용하여 중근이 될 확률을 계산할 수 있다.
3-1C추출된 a,b,c\displaystyle a,b,c를 이용하여 만든 이차방정식이 중근을 가지는 a,b,c\displaystyle a,b,c가 어떤 숫자인지 정도만 안다.
3-1D세 숫자 a,b,c\displaystyle a,b,c의 추출의 의미 정도만 안다.
3-1E문제의 의미를 알지 못한다.
3-2A+시행횟수인 확률변수 X\displaystyle X를 이해하고, k\displaystyle k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,,10\displaystyle X=1,2,\cdots,10까지 정확히 구할 수 있다. 풀이 과정에서 독립시행 등의 용어를 사용하며 그렇게 되는 이유를 들어 서술할 수 있다.
3-2A시행횟수인 확률변수 X\displaystyle X를 이해하고, k\displaystyle k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,,10\displaystyle X=1,2,\cdots,10까지 정확히 구할 수 있다.
3-2B+시행횟수인 확률변수 X\displaystyle X를 이해하고, k\displaystyle k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,,9\displaystyle X=1,2,\cdots,9까지 정확히 구할 수 있다. 10번의 시행횟수 X=10\displaystyle X=10에 대한 확률을 10번째 시행에서 중근이 나온 확률이나, 10번째 시행까지 모두 실패한 확률로만 잘못 계산한다.
3-2B시행횟수인 확률변수 X\displaystyle X를 이해하고, 중근이 될 확률을 성공의 확률로 간주하여 X=1,2,,9\displaystyle X=1,2,\cdots,9의 확률을 정확히 구할 수 있다.
3-2C각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포를 이용하여, 중근이 될 확률을 구체적으로 구할 수 있다.
3-2D[문제 3-1]에서 구한 구슬에 적힌 각 숫자의 구슬의 개수를 이용하여, 각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포만 서술할 수 있다.
3-2E문제의 의미를 알지 못한다.
3-3A+P(X>k)\displaystyle P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5\displaystyle P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그 값을 이용하여 정확한 k\displaystyle k의 범위를 구하여 최소의 자연수 k\displaystyle k를 구할 수 있다. 풀이 과정에서 여사건의 확률 등의 용어를 사용하며 그렇게 되는 이유를 들어 서술할 수 있다.
3-3AP(X>k)\displaystyle P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5\displaystyle P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그 값을 이용하여 정확한 k\displaystyle k의 범위를 구하여 최소의 자연수 k\displaystyle k를 구할 수 있다.
3-3B+P(X>k)\displaystyle P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5\displaystyle P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그를 취하지만 정확히 풀지는 못한다.
3-3BP(X>k)\displaystyle P(X>k)을 여사건의 확률을 이용하여 등비수열의 합으로 계산할 수 있다.
3-3CP(X>k)\displaystyle P(X>k)의 계산을 하지만, 정확히 구하지는 못한다.
3-3DP(X>k)<0.5\displaystyle P(X>k)<0.5 계산을 위한 식만 적을 수 있다.
3-3E문제의 의미를 알지 못한다.

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