수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

<문제 2> 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(제시문)

(가) 동전 한 개를 던지는 시행을 반복한다. Xk\displaystyle X_{k}는 k\displaystyle k번째 시행에서 앞면이 나오면 1을, 뒷면이 나오면 0을 갖는 확률변수라 하자. 단, 각 시행에서 앞면이 나올 확률과 뒷면이 나올 확률은 각각 12\displaystyle \frac{1}{2}로 모두 같고 각 시행은 서로 독립이라 가정하자.

(나) 확률변수 X1,…,Xn\displaystyle X_{1},\ldots,X_{n}과 임의의 상수 a1,…,an\displaystyle a_{1},\ldots,a_{n}에 대하여 Yn=a1X1+⋯+anXn\displaystyle Y_{n}=a_{1}X_{1}+\cdots+a_{n}X_{n}의 기댓값 E(Yn)\displaystyle \mathrm{E}(Y_{n})은E(Yn)=a1E(X1)+⋯+anE(Xn)\displaystyle \mathrm{E}(Y_{n})=a_{1}\mathrm{E}(X_{1})+\cdots+a_{n}\mathrm{E}(X_{n})이다.

새로운 확률변수 Zn=∑k=1nXk2k\displaystyle Z_{n}=\sum_{k=1}^{n}\frac{X_{k}}{2^{k}}에 대하여 다음을 구하시오.

(1) 기댓값 E(Zn)\displaystyle \mathrm{E}(Z_{n})은?

(2) m\displaystyle m은 2 이상의 정수이고 n>m\displaystyle n>m일 때, 확률 P(Zn≥12+12m)\displaystyle \mathrm{P}\left(Z_{n}\ge\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{m}}\right)은?

(3) m\displaystyle m은 2 이상의 정수이고 n>m\displaystyle n>m일 때, 확률의 극한값 lim⁡n→∞P(∣Zn−12∣<12m)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\mathrm{P}\left(\left|Z_{n}-\frac{1}{2}\right|<\frac{1}{2^{m}}\right)은?

(1) · 베르누이 확률변수 Xk\displaystyle X_{k}의 기댓값을 정확히 계산하였는가?

(1) 모든 k=1,…,n\displaystyle k=1,\ldots,n에 대하여 E(Xk)=1/2\displaystyle \mathrm{E}(X_{k})=1/2이므로

(1) · 확률변수의 합의 기댓값을 제대로 계산하였는가?

E(Zn)=E(12X1+122X2+⋯+12nXn)=12E(X1)+122E(X2)+⋯+12nE(Xn)=12(12+122+⋯+12n)=12(1−(12)n)\displaystyle \begin{aligned} \mathrm{E}(Z_{n}) &= \mathrm{E}\left(\frac{1}{2}X_{1}+\frac{1}{2^{2}}X_{2}+\cdots+\frac{1}{2^{n}}X_{n}\right) \\ &= \frac{1}{2}\mathrm{E}(X_{1})+\frac{1}{2^{2}}\mathrm{E}(X_{2})+\cdots+\frac{1}{2^{n}}\mathrm{E}(X_{n}) \\ &= \frac{1}{2}\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{2}}+\cdots+\frac{1}{2^{n}}\right) \\ &= \frac{1}{2}\left(1-\left(\frac{1}{2}\right)^{n}\right) \end{aligned}

(2) · 주어진 영역에 부합하는 Xk\displaystyle X_{k} 값들을 제대로 파악할 수 있는가?

(2) Zn\displaystyle Z_{n}을 이진법으로 표시하면Zn=X12+X222+⋯+Xn2n=(0.X1X2⋯Xn)(2)\displaystyle Z_{n}=\frac{X_{1}}{2}+\frac{X_{2}}{2^{2}}+\cdots+\frac{X_{n}}{2^{n}}=\left(0.X_{1}X_{2}\cdots X_{n}\right)_{(2)}이고,12+12m=(0.X1X2⋯Xm−1XmXm+1⋯Xn)(2)=(0.1 0 ⋯ 0 1 0 ⋯ 0)(2)\displaystyle \begin{aligned} \frac{1}{2}+\frac{1}{2^{m}} &= \left(0.X_{1}X_{2}\cdots X_{m-1}X_{m}X_{m+1}\cdots X_{n}\right)_{(2)} \\ &= \left(0.1\ 0\ \cdots\ 0\,1\,0\ \cdots\ 0\right)_{(2)} \end{aligned}이다. 즉, 소수 첫 번째와 m\displaystyle m번째 자리가 1이다.Zn≥12+12m\displaystyle Z_{n}\ge\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{m}}이려면 X1=1\displaystyle X_{1}=1이고 X2,⋯ ,Xm\displaystyle X_{2},\cdots,X_{m} 중에 적어도 하나가 1 이어야 함. 따라서P(Zn≥12+12m)=P(X1=1)[1−{P(X2=0)⋯P(Xm=0)}]=12(1−12m−1)=12−12m\displaystyle \begin{aligned} \mathrm{P}\left(Z_{n}\ge\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{m}}\right) &= \mathrm{P}(X_{1}=1)\left[1-\left\{\mathrm{P}(X_{2}=0)\cdots\mathrm{P}(X_{m}=0)\right\}\right] \\ &= \frac{1}{2}\left(1-\frac{1}{2^{m-1}}\right)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}} \end{aligned}

(3) · 주어진 영역에 부합하는 Xk\displaystyle X_{k} 값들을 제대로 파악할 수 있는가?

(3) P(∣Zn−12∣<12m)=1−P(Zn≥12+12m)−P(Zn≤12−12m)\displaystyle \mathrm{P}\left(\left|Z_{n}-\frac{1}{2}\right|<\frac{1}{2^{m}}\right)=1-\mathrm{P}\left(Z_{n}\ge\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{m}}\right)-\mathrm{P}\left(Z_{n}\le\frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}}\right)이므로, 먼저 확률 P(Zn≤12−12m)\displaystyle \mathrm{P}\left(Z_{n}\le\frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}}\right)을 계산하여 보자.12−12m=(0.X1X2⋯XmXm+1⋯Xn)(2)=(0.0 1 ⋯ 1 0 ⋯ 0)(2)\displaystyle \begin{aligned} \frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}} &= \left(0.X_{1}X_{2}\cdots X_{m}X_{m+1}\cdots X_{n}\right)_{(2)} \\ &= \left(0.0\ 1\ \cdots\ 1\,0\ \cdots\ 0\right)_{(2)} \end{aligned}이다. 즉, 소수 두 번째 자리부터 m\displaystyle m번째 자리까지가 1이다. 그러므로, Zn≤12−12m\displaystyle Z_{n}\le\frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}}이려면 X1=0\displaystyle X_{1}=0이고 X2,⋯ ,Xm\displaystyle X_{2},\cdots,X_{m} 가운데 적어도 하나가 0 이거나, 혹은 X2,⋯ ,Xm\displaystyle X_{2},\cdots,X_{m} 모두 1이고 Xm+1,⋯ ,Xn\displaystyle X_{m+1},\cdots,X_{n}은 모두 0 이어야 함.

(3) · 여사건을 이용하여 확률의 극한값을 제대로 구할 수 있는가?

그러므로P(Zn≤12−12m)=P(X1=0)[(1−{P(X2=1)⋯P(Xm=1)})+(P(X2=1)⋯P(Xm=1)⋅P(Xm+1=0)⋯P(Xn=0))]=12(1−(12)m−1+(12)n−1)=12−(12)m+(12)n\displaystyle \begin{aligned} \mathrm{P}\left(Z_{n}\le\frac{1}{2}-\frac{1}{2^{m}}\right) &= \mathrm{P}(X_{1}=0)\Big[\left(1-\left\{\mathrm{P}(X_{2}=1)\cdots\mathrm{P}(X_{m}=1)\right\}\right) \\ &\qquad+\left(\mathrm{P}(X_{2}=1)\cdots\mathrm{P}(X_{m}=1)\cdot\mathrm{P}(X_{m+1}=0)\cdots\mathrm{P}(X_{n}=0)\right)\Big] \\ &= \frac{1}{2}\left(1-\left(\frac{1}{2}\right)^{m-1}+\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}\right) \\ &= \frac{1}{2}-\left(\frac{1}{2}\right)^{m}+\left(\frac{1}{2}\right)^{n} \end{aligned}따라서lim⁡n→∞P(∣Zn−12∣<12m)=lim⁡n→∞{1−(1−22m+12n)}=12m−1\displaystyle \begin{aligned} \lim_{n\to\infty}\mathrm{P}\left(\left|Z_{n}-\frac{1}{2}\right|<\frac{1}{2^{m}}\right) &= \lim_{n\to\infty}\left\{1-\left(1-\frac{2}{2^{m}}+\frac{1}{2^{n}}\right)\right\} \\ &= \frac{1}{2^{m-1}} \end{aligned}

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