수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>~<라>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 연속확률변수 X\displaystyle X가 모든 실수값을 가지고, 그 확률밀도함수 f(x)\displaystyle f(x)가 두 상수 m\displaystyle m, σ2\displaystyle \sigma^2 (σ>0\displaystyle \sigma>0)에 대하여f(x)=12πσe−(x−m)22σ2\displaystyle f(x)=\frac1{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x-m)^2}{2\sigma^2}}일 때, 확률변수 X\displaystyle X의 확률분포를 정규분포라 하고, 기호로 N(m,σ2)\displaystyle \mathrm{N}(m,\sigma^2)과 같이 나타낸다.

<나> 확률변수 X\displaystyle X가 정규분포 N(m,σ2)\displaystyle \mathrm{N}(m,\sigma^2)을 따를 때, 확률변수 Z=X−mσ\displaystyle Z=\frac{X-m}{\sigma}은 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle \mathrm{N}(0,1)을 따른다. 이 때 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 확률변수 X\displaystyle X가 속할 확률은 다음과 같다.P(a≤X≤b)=P(a−mσ≤Z≤b−mσ)\displaystyle \mathrm{P}(a\le X\le b)=\mathrm{P}\left(\frac{a-m}\sigma\le Z\le\frac{b-m}\sigma\right)

<다> 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle \mathrm{N}(0,1)을 따르는 확률변수 Z\displaystyle Z의 확률분포는 다음과 같다.

zzP(0≤Z≤z)\mathrm{P}(0\le Z\le z)
0.50.1915
1.00.3413
1.50.4332
2.00.4772
2.50.4938
3.00.4987

<라> 정규분포 N(m,σ2)\displaystyle \mathrm{N}(m,\sigma^2)를 따르는 모집단에서 크기가 n\displaystyle n인 표본을 임의추출하여 구한 표본평균의 값이 x‾\displaystyle \overline{x}이면, 모평균 m\displaystyle m에 대한 신뢰도 99%\displaystyle 99\%의 신뢰구간은 다음과 같다.x‾−2.58σn≤m≤x‾+2.58σn\displaystyle \overline{x}-2.58\frac\sigma{\sqrt n}\le m\le\overline{x}+2.58\frac\sigma{\sqrt n}

1-1. 확률변수 X\displaystyle X가 평균이 k\displaystyle k이고, 분산이 k\displaystyle k인 정규분포를 따르고, P(X≤−14)=0.1587\displaystyle \mathrm{P}\left(X\le-\frac14\right)=0.1587일 때, 제시문 <다>의 표준정규분포표를 이용하여 k\displaystyle k의 값을 구하시오. (단, k>0\displaystyle k>0) [10점]

1-2. 확률변수 X\displaystyle X가 정규분포 N(6,22)\displaystyle \mathrm{N}(6,2^2)을 따를 때, ∑n=15P(X≤2n)=pq\displaystyle \sum_{n=1}^5\mathrm{P}(X\le2n)=\frac pq이다. p+q\displaystyle p+q의 값을 구하시오.(단, p\displaystyle p와 q\displaystyle q는 서로소인 자연수이다.) [15점]

1-3. 정규분포 N(m,0.52)\displaystyle \mathrm{N}(m,0.5^2)을 따르는 모집단에서 크기가 n\displaystyle n인 표본을 임의추출할 때, 모평균 m\displaystyle m에 대한 신뢰도 99%\displaystyle 99\%인 신뢰구간이 a≤m≤b\displaystyle a\le m\le b이다. 여기서, b−a≤0.258\displaystyle b-a\le0.258이 되도록 하는 자연수 n\displaystyle n의 최솟값을 구하시오. (단, Z\displaystyle Z가 표준정규분포를 따르는 확률변수일 때, P(∣Z∣≤2.58)=0.99\displaystyle \mathrm{P}(|Z|\le2.58)=0.99로 계산한다.) [15점]

해설강의 준비중
+10점 · 1-1

1-1. [풀이]확률변수 X\displaystyle X가 정규분포 N(k,k)\displaystyle \mathrm{N}(k,k)을 따르므로 확률변수 Z=X−kk\displaystyle Z=\frac{X-k}{\sqrt k}은 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle \mathrm{N}(0,1)을 따른다.따라서, P(X≤−14)=P(Z≤−14−kk)=0.1587\displaystyle \mathrm{P}\left(X\le-\frac14\right)=\mathrm{P}\left(Z\le\frac{-\frac14-k}{\sqrt k}\right)=0.1587에서 P(Z≤−1.0)=0.1587\displaystyle \mathrm{P}(Z\le-1.0)=0.1587이므로−14−kk=−1.0\displaystyle \frac{-\frac14-k}{\sqrt k}=-1.0k+14=k\displaystyle k+\frac14=\sqrt k(k+14)2=k\displaystyle \left(k+\frac14\right)^2=kk2+12k+116=k\displaystyle k^2+\frac12k+\frac1{16}=kk2−12k+116=0\displaystyle k^2-\frac12k+\frac1{16}=0(k−14)2=0\displaystyle \left(k-\frac14\right)^2=0따라서, k=14=0.25\displaystyle k=\frac14=0.25

+15점 · 1-2

1-2. [풀이]확률변수 X\displaystyle X가 정규분포 N(6,22)\displaystyle \mathrm{N}(6,2^2)을 따르므로 확률변수 Z=X−62\displaystyle Z=\frac{X-6}2은 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle \mathrm{N}(0,1)을 따른다.∑n=15P(X≤2n)=∑n=15P(Z≤2n−62)=∑n=15P(Z≤n−3)=P(Z≤−2)+P(Z≤−1)+P(Z≤0)+P(Z≤1)+P(Z≤2)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^5\mathrm{P}(X\le2n)&=\sum_{n=1}^5\mathrm{P}\left(Z\le\frac{2n-6}2\right)=\sum_{n=1}^5\mathrm{P}(Z\le n-3)\\&=\mathrm{P}(Z\le-2)+\mathrm{P}(Z\le-1)+\mathrm{P}(Z\le0)+\mathrm{P}(Z\le1)+\mathrm{P}(Z\le2)\end{aligned}(여기서, 표준정규분포의 대칭성을 이용하여)=P(Z≥2)+P(Z≥1)+P(Z≤0)+P(Z≤1)+P(Z≤2)={P(Z≥2)+P(Z≤2)}+{P(Z≥1)+P(Z≤1)}+P(Z≤0)=1+1+0.5=2.5=52\displaystyle \begin{aligned}&=\mathrm{P}(Z\ge2)+\mathrm{P}(Z\ge1)+\mathrm{P}(Z\le0)+\mathrm{P}(Z\le1)+\mathrm{P}(Z\le2)\\&=\{\mathrm{P}(Z\ge2)+\mathrm{P}(Z\le2)\}+\{\mathrm{P}(Z\ge1)+\mathrm{P}(Z\le1)\}+\mathrm{P}(Z\le0)\\&=1+1+0.5\\&=2.5=\frac52\end{aligned}따라서, pq=52\displaystyle \frac pq=\frac52이므로 p+q=5+2=7\displaystyle p+q=5+2=7.

+15점 · 1-3

1-3. [풀이]크기가 n\displaystyle n인 표본을 임의추출하여 구한 표본평균의 값을 x‾\displaystyle \overline{x}라 하자. 모표준편차 0.5\displaystyle 0.5이므로 모평균 m\displaystyle m에 대한 신뢰도 99%\displaystyle 99\%인 신뢰구간은 다음과 같다.x‾−2.58×0.5n≤m≤x‾+2.58×0.5n\displaystyle \overline{x}-2.58\times\frac{0.5}{\sqrt n}\le m\le\overline{x}+2.58\times\frac{0.5}{\sqrt n}이 때, a≤m≤b\displaystyle a\le m\le b에서b−a=2×2.58×0.5n\displaystyle b-a=2\times2.58\times\frac{0.5}{\sqrt n}이므로2×2.58×0.5n≤0.258\displaystyle 2\times2.58\times\frac{0.5}{\sqrt n}\le0.258n≥10\displaystyle \sqrt n\ge10양변을 제곱하면 n≥100\displaystyle n\ge100따라서, 자연수 n\displaystyle n의 최솟값은 100\displaystyle 100이다.

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