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덕성여대 2018학년도 수시 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/duksung/2018su/jayeon_3
[문제 3-1]확률변수 Y를 주머니 속 구슬에 적힌 숫자라 하고 P(Y=y)를 확률변수 Y가 어떤 값 y를 가질 확률이라고 하자. 주머니 속 30개의 구슬 중 숫자 1, 2, 3이 적힌 구슬의 갯수가 각각 l, m, 10이므로 P(Y=1)=30l, P(Y=2)=30m, P(Y=3)=3010이 되고 이를 정리하면 Y의 확률분포는 다음과 같다.
<표 1. 확률변수 Y의 확률분포표>
여기서 p=30l, q=30m이고 p+q=32을 만족한다.
임의추출된 a,b,c에 의해 만들어진 이차방정식 ax2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우는 판별식 D=b2−ac가 0이 되어야 하므로 b2=ac가 되는 경우들이다. 즉, b=1인 경우에는 a=1과 c=1이어야 하며, b=2인 경우에는 a=2와 c=2가 추출되어야 하고, b=3인 경우에는 a=3과 c=3이 추출되는 경우만이 이에 해당된다. 그러므로 a,b,c가 모두 1이거나, 모두 2이거나 혹은 모두 3이면 이차방정식 ax2+2bx+c=0이 중근을 가진다.
한편, 3개의 구슬을 복원추출로 임의추출할 경우 각각의 추출은 독립시행이므로 위 <표 1>의 확률분포표를 이용하면 a,b,c가 모두 1이 될 확률은 p3, 모두 2가 될 확률은 q3, 그리고 모두 3이 될 확률은 (31)3이 된다. 그러므로 이차방정식 ax2+2bx+c=0이 중근을 가질 확률은 p3+q3+(31)3이 되며, 이 확률은 p+q=32의 관계에 의해서 p3+(32−p)3+271된다. 이 확률은p3+(32−p)3+271=p3+278−3×94p+3×32p2−p3+271=2p2−34p+31=2(p−31)2+91 ----------(1)이 된다. 여기서 0≤p≤32이다. 그러므로 p=31이 될 때 이차방정식이 중근을 가질 확률이 최소가 되다. 따라서 p+q=32이므로 q=31이며, 이 때 1과 2가 적힌 구슬의 각각의 갯수는 l=m=10이 된다.
[문제 3-2]복원추출로 3개의 구슬을 임의추출하여 만든 이차방정식 ax2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우는 [문제 3-1]의 모범답안에서 설명하였듯이 a,b,c가 모두 1이거나, 모두 2이거나 혹은 모두가 3인 경우이다. 또한, [문제 3-1]의 결과에 의하면 세 숫자의 갯수는 l=m=n=10이다. 따라서, 이차방정식 ax2+2bx+c=0이 중근을 가지는 경우의 확률은 [문제 3-1]의 식 (1)의 결과에 의해 91이다.
한편, 제시문 (2)에 설명된 시행의 횟수로 정의된 확률변수 X는 1,2,⋯,10을 가질 수 있다. P(X=k)를 확률변수 X가 어떤 값 k를 가질 확률이라 하면, 10보다 작은 자연수 k에 대하여, (k−1)번 시행까지는 추출된 (a,b,c)가 중근을 만들지 못하고 k번 시행에서 추출된 (a,b,c)가 중근을 만들기 때문에 다음과 같이 P(X=k)가 구해진다.P(X=1)=91, P(X=2)=98×91, ----------(2)P(X=3)=(98)2×91,⋯, P(X=9)=(98)8×91 ----------(3)
10번째까지 시행을 한 경우의 확률은 10번째 시행에서 추출된 a,b,c가 중근을 만들 확률과 10번째 시행까지 만들어진 a,b,c 모두가 중근을 만들지 못할 확률을 더해준 것으로 다음과 같다.P(X=10)=(98)9×91+(98)10=(98)9 ----------(4)
그러므로, 식 (2), (3)과 (4)을 종합해보면 확률변수 X의 확률질량함수는 다음과 같이 된다.P(X=k)={(98)k−1×(91),(98)9,(k=1,2,⋯,9)(k=10). ----------(5)
[문제 3-3]중근이 나올 때까지 시행횟수가 k보다 클 확률을 구해보자. 만약 k<10이라 하면, [문제 3-2]의 식 (5)에 있는 X의 확률질량함수를 이용하여 계산하면P(X>k)=1−P(X≤k)=1−91(1−981−(98)k)=(98)k ----------(6)이다. 그러므로 P(X>k)=(98)k<0.5을 계산하기 위하여 양변에 상용로그를 취하면 k(log8−log9)<log0.5가 된다. 따라서k(log8−log9)<log0.5k(3log2−2log3)<−log2k>2log3−3log2log2=2×0.48−3×0.300.30=0.060.30=5 ----------(7)가 성립한다. 구하는 최소의 자연수 k는 6이 된다.
문항
등급
채점 기준
3-1
A+
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.
3-1
A
중근이 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.
3-1
B+
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.
3-1
B
주머니 속 각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포를 서술하고, 이 확률분포를 이용하여 중근이 될 확률을 계산할 수 있다.
3-1
C
추출된 a,b,c를 이용하여 만든 이차방정식이 중근을 가지는 a,b,c가 어떤 숫자인지 정도만 안다.
3-1
D
세 숫자 a,b,c의 추출의 의미 정도만 안다.
3-1
E
문제의 의미를 알지 못한다.
3-2
A+
시행횟수인 확률변수 X를 이해하고, k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,⋯,10까지 정확히 구할 수 있다. 풀이 과정에서 독립시행 등의 용어를 사용하며 그렇게 되는 이유를 들어 서술할 수 있다.
3-2
A
시행횟수인 확률변수 X를 이해하고, k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,⋯,10까지 정확히 구할 수 있다.
3-2
B+
시행횟수인 확률변수 X를 이해하고, k번째 시행에서 중근이 나올 확률을 X=1,2,⋯,9까지 정확히 구할 수 있다. 10번의 시행횟수 X=10에 대한 확률을 10번째 시행에서 중근이 나온 확률이나, 10번째 시행까지 모두 실패한 확률로만 잘못 계산한다.
3-2
B
시행횟수인 확률변수 X를 이해하고, 중근이 될 확률을 성공의 확률로 간주하여 X=1,2,⋯,9의 확률을 정확히 구할 수 있다.
3-2
C
각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포를 이용하여, 중근이 될 확률을 구체적으로 구할 수 있다.
3-2
D
[문제 3-1]에서 구한 구슬에 적힌 각 숫자의 구슬의 개수를 이용하여, 각 숫자에 대한 확률변수의 확률분포만 서술할 수 있다.
3-2
E
문제의 의미를 알지 못한다.
3-3
A+
P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그 값을 이용하여 정확한 k의 범위를 구하여 최소의 자연수 k를 구할 수 있다. 풀이 과정에서 여사건의 확률 등의 용어를 사용하며 그렇게 되는 이유를 들어 서술할 수 있다.
3-3
A
P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그 값을 이용하여 정확한 k의 범위를 구하여 최소의 자연수 k를 구할 수 있다.
3-3
B+
P(X>k)의 계산을 등비수열의 합으로 계산할 수 있고, P(X>k)<0.5의 계산을 상용로그를 취하지만 정확히 풀지는 못한다.