수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 두 사건 A,B\displaystyle A,B에 대하여 0<P(B)<1\displaystyle 0<\mathrm{P}(B)<1일 때 다음이 성립한다.P(A)=P(B)P(A∣B)+P(Bc)P(A∣Bc)\displaystyle \mathrm{P}(A)=\mathrm{P}(B)\mathrm{P}(A\mid B)+\mathrm{P}(B^c)\mathrm{P}(A\mid B^c)여기서 P(A∣B)\displaystyle \mathrm{P}(A\mid B)는 사건 B\displaystyle B가 일어났을 때의 사건 A\displaystyle A의 조건부확률이고, Bc\displaystyle B^c는 B\displaystyle B의 여사건이다.

<나> 계수가 실수인 이차방정식 ax2+bx+c=0\displaystyle ax^2+bx+c=0 (a≠0)\displaystyle (a\ne0)에 대하여 D=b2−4ac\displaystyle D=b^2-4ac라 할 때,(1) D>0\displaystyle D>0이면 이 방정식은 서로 다른 두 실근을 갖는다.(2) D=0\displaystyle D=0이면 서로 같은 두 실근(중근)을 갖는다.(3) D<0\displaystyle D<0이면 서로 다른 두 허근을 갖는다.

<다> 이차방정식 ax2+bx+c=0\displaystyle ax^2+bx+c=0 (a≠0)\displaystyle (a\ne0)의 두 근의 합은 −ba\displaystyle -\frac ba이며 두 근의 곱은 ca\displaystyle \frac ca이다.

1-1. 주사위 A를 던졌을 때 나오는 숫자를 a\displaystyle a, 주사위 B를 던졌을 때 나오는 숫자를 b\displaystyle b라고 하자. 한편, 또 다른 주사위 한 개를 던져 2\displaystyle 2이하의 숫자가 나왔을 경우 c=−1\displaystyle c=-1이고, 3\displaystyle 3이상의 숫자가 나왔을 경우 c=0\displaystyle c=0이라 하자. 이 세 개의 주사위를 동시에 던져서 포물선 y=ax2+bx+c\displaystyle y=ax^2+bx+c의 계수 a,b,c\displaystyle a,b,c를 결정한다. 제시문 <가>를 이용하여 이 포물선이 점 (1,4)\displaystyle (1,4)를 지나는 확률을 구하시오. [10점]

1-2. 문제 1-1과 같이 두 개의 주사위 A와 B를 동시에 던져 나오는 눈의 수를 각각 a\displaystyle a와 b\displaystyle b라 하자. 이때, 이차방정식 x2−2bx+a=0\displaystyle x^2-2bx+a=0이 서로 다른 두 실근을 갖고, 이차방정식 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0이 서로 다른 두 허근을 가질 확률을 구하시오. [15점]

1-3. 문제 1-1과 같이 두 개의 주사위 A와 B를 동시에 던져 나오는 눈의 수를 각각 a\displaystyle a와 b\displaystyle b라 하자. 이차방정식 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0가 서로 다른 두 실근을 가질 때, 두 실근이 모두 정수일 확률을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

1-1. [풀이] 사건 A\displaystyle A는 포물선이 점 (1,4)\displaystyle (1,4)를 지나는 사건, 사건 B\displaystyle B는 c=−1\displaystyle c=-1인 사건, 사건 B\displaystyle B의 여사건 Bc\displaystyle B^c는 c=0\displaystyle c=0인 사건이라 하자. 이 경우 P(B)=13\displaystyle \mathrm{P}(B)=\frac13, P(Bc)=23\displaystyle \mathrm{P}(B^c)=\frac23이고 P(B)P(A∣B)=P(A∩B)\displaystyle \mathrm{P}(B)\mathrm{P}(A\mid B)=\mathrm{P}(A\cap B), P(Bc)P(A∣Bc)=P(A∩Bc)\displaystyle \mathrm{P}(B^c)\mathrm{P}(A\mid B^c)=\mathrm{P}(A\cap B^c)이다.

사건 A∩B\displaystyle A\cap B는 c=−1\displaystyle c=-1이고 이때 y=ax2+bx+c\displaystyle y=ax^2+bx+c이 점 (1,4)\displaystyle (1,4)를 지나는 사건이다. 따라서 확률 P(A∩B)\displaystyle \mathrm{P}(A\cap B)는 주사위 한 개를 던져 2\displaystyle 2이하의 숫자가 나오고 주사위 A의 눈이 a\displaystyle a, 주사위 B의 눈이 b\displaystyle b라 할 때 a+b=5\displaystyle a+b=5일 확률이다. 결국 P(A∩B)=127\displaystyle \mathrm{P}(A\cap B)=\frac1{27}이다.

사건 A∩Bc\displaystyle A\cap B^c는 c=0\displaystyle c=0이고 이때 y=ax2+bx+c\displaystyle y=ax^2+bx+c이 점 (1,4)\displaystyle (1,4)를 지나는 사건이다. 따라서 확률 P(A∩Bc)\displaystyle \mathrm{P}(A\cap B^c)는 주사위 한 개를 던져 3\displaystyle 3이상의 숫자가 나오고 주사위 A의 눈이 a\displaystyle a, 주사위 B의 눈이 b\displaystyle b라 할 때 a+b=4\displaystyle a+b=4일 확률이다. 결국 P(A∩Bc)=118\displaystyle \mathrm{P}(A\cap B^c)=\frac1{18}이다.

그러므로 포물선이 점 (1,4)\displaystyle (1,4)를 지나는 확률 P(A)\displaystyle \mathrm{P}(A)는 P(A)=P(A∩B)+P(A∩Bc)\displaystyle \mathrm{P}(A)=\mathrm{P}(A\cap B)+\mathrm{P}(A\cap B^c)이므로 554\displaystyle \frac5{54}이다.

1-2. [풀이] 이차방정식 x2−2bx+a=0\displaystyle x^2-2bx+a=0이 서로 다른 두 실근을 가질 조건은 b2−a>0\displaystyle b^2-a>0이고, 이차방정식 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0이 서로 다른 두 허근을 가질 조건은 b2−4a<0\displaystyle b^2-4a<0이다. 그러므로 이차방정식 x2−2bx+a=0\displaystyle x^2-2bx+a=0이 서로 다른 두 실근을 갖고, 이차방정식 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0이 서로 다른 두 허근을 가질 조건은 a<b2<4a\displaystyle a<b^2<4a이다. 이 조건을 만족하는 주사위의 눈의 수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b의 쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)는 (2,2)\displaystyle (2,2), (3,2)\displaystyle (3,2), (3,3)\displaystyle (3,3), (4,3)\displaystyle (4,3), (5,3)\displaystyle (5,3), (5,4)\displaystyle (5,4), (6,3)\displaystyle (6,3), (6,4)\displaystyle (6,4)로 총 8가지이다. 따라서 구하는 확률은 836=29\displaystyle \frac8{36}=\frac29이다.

1-3. [풀이] 사건 A\displaystyle A는 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0가 서로 다른 두 실근을 가지는 사건, 사건 B\displaystyle B는 x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0가 서로 다른 두 정수근을 가지는 사건이라 하자. 이 경우 사건 B\displaystyle B는 사건 A\displaystyle A의 부분 사건이다.따라서 P(B∣A)=P(A∩B)P(A)=P(B)P(A)\displaystyle \mathrm{P}(B\mid A)=\frac{\mathrm{P}(A\cap B)}{\mathrm{P}(A)}=\frac{\mathrm{P}(B)}{\mathrm{P}(A)}이다.

x2−bx+a=0\displaystyle x^2-bx+a=0가 서로 다른 두 실근을 가지는 필요충분조건은 b2−4a>0\displaystyle b^2-4a>0이고,이 조건을 만족하는 주사위의 눈의 수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b의 쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)는(1,3)\displaystyle (1,3), (1,4)\displaystyle (1,4), (1,5)\displaystyle (1,5), (1,6)\displaystyle (1,6), (2,3)\displaystyle (2,3), (2,4)\displaystyle (2,4), (2,5)\displaystyle (2,5), (2,6)\displaystyle (2,6), (3,4)\displaystyle (3,4), (3,5)\displaystyle (3,5), (3,6)\displaystyle (3,6), (4,5)\displaystyle (4,5), (4,6)\displaystyle (4,6), (5,5)\displaystyle (5,5), (5,6)\displaystyle (5,6), (6,5)\displaystyle (6,5), (6,6)\displaystyle (6,6)으로 총 17가지이다. 그러므로 P(A)=1736\displaystyle \mathrm{P}(A)=\frac{17}{36}이다.

이 중 b−b2−4a2\displaystyle \frac{b-\sqrt{b^2-4a}}2와 b+b2−4a2\displaystyle \frac{b+\sqrt{b^2-4a}}2가 모두 정수인 경우는 (2,3)\displaystyle (2,3), (3,4)\displaystyle (3,4), (4,5)\displaystyle (4,5), (5,6)\displaystyle (5,6), (6,5)\displaystyle (6,5)로 총 5가지이다.따라서 P(B)=536\displaystyle \mathrm{P}(B)=\frac5{36}이다. 결국 구하는 확률 P(B∣A)\displaystyle \mathrm{P}(B\mid A)는 P(B∣A)=P(B)P(A)\displaystyle \mathrm{P}(B\mid A)=\frac{\mathrm{P}(B)}{\mathrm{P}(A)}이므로 517\displaystyle \frac5{17}이다.

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