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자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 원점 (0,0)\displaystyle (0,0)에서 4번 시행하여 (1,3)\displaystyle (1,3)에 도달 하려면 우 1회, 상 3회 선택하여 시행한 경우뿐임을 알 수 있다.

중복을 허락하는 순열에 따라 우 1회, 상 3회로 (1,3)\displaystyle (1,3)에 도달하는 경우의 수는 4!1!3!=4C3=4\displaystyle \frac{4!}{1!\,3!}={}_{4}\mathrm{C}_{3}=4로 주어진다.

이 때 각 시행이 독립이므로 각각의 경우의 확률은 13×(16)3\displaystyle \frac13\times\left(\frac16\right)^3로 구해진다.

따라서 구하는 확률은 4C313×(16)3\displaystyle {}_{4}\mathrm{C}_{3}\frac13\times\left(\frac16\right)^3(또는 1162\displaystyle \frac1{162})이다.

(2) 조건을 만족하는 점들은 (k,nk), k=0,1,,n\displaystyle (k,n-k),\ k=0,1,\ldots,n으로 구해지며, 이들 점들이 k+(nk)=n\displaystyle k+(n-k)=n을 만족하므로,

이 점들에 n\displaystyle n번 시행한 후 도달하기 위해서는 각각의 시행이 좌 또는 하를 제외한 우와 상 중 한 가지를 선택하여 시행하여야 한다.

이제 한 점 (k,nk)\displaystyle (k,n-k)를 생각하면, 우 k\displaystyle k회, 상 nk\displaystyle n-k회 선택하여 시행하는 경우이며,

중복을 허락하는 순열에 따라 이점에 n\displaystyle n번 시행 후 도달하는 경우의 수는 n!k!(nk)!=nCk\displaystyle \frac{n!}{k!(n-k)!}={}_{n}\mathrm{C}_{k}이다.

그리고 각 시행이 독립이므로 이들 각각 경우의 확률은 pkqnk\displaystyle p^kq^{n-k}로 주어진다.

따라서 (k,nk)\displaystyle (k,n-k)에 도달하는 확률은 nCkpkqnk\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{k}p^kq^{n-k}이다.

이들 점들에 주어진 확률을 모두 합하고 이항정리를 활용하면 k=0nnCkpkqnk=(p+q)n\displaystyle \sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm{C}_{k}p^kq^{n-k}=(p+q)^n로 답을 얻는다.

(또는 p+q=12\displaystyle p+q=\frac12이므로 (p+q)n=(12)n\displaystyle (p+q)^n=\left(\frac12\right)^n을 얻는다)

(3) n\displaystyle n번 시행하여 도달한 P(k,l)\displaystyle P(k,l)점들은 모두 부등식 k+ln\displaystyle |k|+|l|\le n을 만족하므로 부등식 k+l<n\displaystyle |k|+|l|<n을 만족하는 점들은 등식 k+l=n\displaystyle |k|+|l|=n을 만족하는 점들의 여집합이다. 등식 k+l=n\displaystyle |k|+|l|=n을 만족할 확률을 먼저 구하기 위하여,등식 k+l=n\displaystyle |k|+|l|=n을 만족하는 (k,l)\displaystyle (k,l)(k0,l0), (k0,l0), (k0,l0), (k0,l0)\displaystyle (k\ge0,l\ge0),\ (k\le0,l\ge0),\ (k\ge0,l\le0),\ (k\le0,l\le0) 네 가지 경우로 구별한다. 이제 (2)와 같은 방법으로 우상변 (k0,l0)\displaystyle (k\ge0,l\ge0) 이외의 다른 3변의 확률도 각각 (p+q)n\displaystyle (p+q)^n이다.여기서, 앞의 네 가지 경우로 구별할 때 네 점 (n,0), (n,0), (0,n), (0,n)\displaystyle (n,0),\ (-n,0),\ (0,n),\ (0,-n)이 두 번씩 나타남에 유의한다.이들 중복되는 네 점 (n,0), (n,0), (0,n), (0,n)\displaystyle (n,0),\ (-n,0),\ (0,n),\ (0,-n)에 관한 확률은 각각 qn, qn, pn, pn\displaystyle q^n,\ q^n,\ p^n,\ p^n이다.Correction. 네 점에 대응하는 확률 qn,qn,pn,pn\displaystyle q^n,q^n,p^n,p^npn,pn,qn,qn\displaystyle p^n,p^n,q^n,q^n의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이제, 등식 k+l=n\displaystyle |k|+|l|=n을 만족하는 (k,l)\displaystyle (k,l)에 도달할 확률은 위 네 가지 경우의 확률의 합에서 중복되는 네 점에 도달하는 확률을 뺀 값이므로, 4(p+q)n2(pn+qn)\displaystyle 4(p+q)^n-2(p^n+q^n)이다. 따라서 구하는 확률은 등식 k+l=n\displaystyle |k|+|l|=n을 만족하는 점들의 여집합의 확률이므로 1(4(p+q)n2(pn+qn))\displaystyle 1-(4(p+q)^n-2(p^n+q^n))이다.

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