수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후1) 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

한 학급의 k(k≥1)\displaystyle k ( k \ge 1 )명의 학생들이 조를 만들어 담임 선생님을 방문하면 모든 조원들에게 각각 연필 한 자루와 공책 k\displaystyle k권을 나누어준다. 학생들은 여러 번 조를 만들어 방문할 수 있고, 동일한 구성의 조는 한 번만 방문한다고 가정한다.

예를 들어, 한 학생 ‘슬기’는 혼자 방문하면 연필 한 자루, 공책 한 권을 받고, ‘예리’와 함께 두 명이 방문하면 다시 연필 한 자루와 공책 두 권을 받는다. 이런 식으로, 두 명과 함께 방문할 때는 연필 한 자루와 공책 세 권을 받을 수 있다.

1. 학급의 학생 수가 n\displaystyle n명일 때, 어떤 경우라도 연필이 부족하지 않도록 담임 선생님이 준비해야 하는 연필의 최소 개수를 구하시오.

2. 학급의 학생 수가 n\displaystyle n명일 때, 어떤 경우라도 공책이 부족하지 않도록 담임 선생님이 준비해야 하는 공책의 최소 개수를 구하시오.

3. 학생 수가 5\displaystyle 5명인 학급에서 담임 선생님은 빨간색과 파란색의 공책을 준비하고, 매번 공책의 색깔을 임의로 선택하여 나누어준다. 한 학생이 본인을 포함하여 3\displaystyle 3명으로 구성된 6\displaystyle 6개의 조를 만들어서 방문하고자 한다. 방문할 때마다 매번 2\displaystyle 2권 이상의 파란색 공책을 받을 확률을 구하시오.

해설강의 준비중

1. 학생의 수가 n\displaystyle n명인 학급의 담임 선생님은 k\displaystyle k명으로 구성된 조가 방문하면 이들에게 나눠줄 k\displaystyle k개의 연필을 준비해야한다. k\displaystyle k명으로 구성된 조는 nCk\displaystyle {}_n\mathrm C_k개가 가능하므로 어떤 경우라도 연필을 나누어 줄 수 있기 위해 담임 선생님이 준비해야하는 연필의 최소 개수는 ∑k=1nk×nCk\displaystyle \sum_{k=1}^n k\times{}_n\mathrm C_k이다. 이를 이항정리를 활용하여 정리하면 다음과 같다.∑k=1nk×nCk=∑k=1nk×n!(n−k)!k!=∑k=1nn×(n−1)!(n−k)!(k−1)!=∑k=1nn×n−1Ck−1=n2n−1\displaystyle \begin{aligned}&\sum_{k=1}^n k\times{}_n\mathrm C_k\\&=\sum_{k=1}^n k\times\frac{n!}{(n-k)!k!}\\&=\sum_{k=1}^n n\times\frac{(n-1)!}{(n-k)!(k-1)!}\\&=\sum_{k=1}^n n\times{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}\\&=n2^{n-1}\end{aligned}따라서, 구하고자 하는 연필의 최소개수는 n2n−1\displaystyle n2^{n-1}개다.

2. 담임 선생님은 k\displaystyle k명으로 구성된 조가 방문하면 이들에게 나눠줄 k2\displaystyle k^2개의 공책을 준비해야 한다. k\displaystyle k명으로 구성된 조는 nCk\displaystyle {}_n\mathrm C_k개가 가능하므로 담임 선생님이 준비해야하는 공책의 최소개수는 ∑k=1nk2×nCk\displaystyle \sum_{k=1}^n k^2\times{}_n\mathrm C_k이다. 이를 다음과 같이 정리할 수 있다.∑k=1nk2×nCk=∑k=1nk×k×n!(n−k)!k!=∑k=1nk×n×(n−1)!(n−k)!(k−1)!=∑k=1nk×n×n−1Ck−1=n(∑k=1n(k−1)×n−1Ck−1+∑k=1nn−1Ck−1)=n(∑k=1n−1k×n−1Ck+∑k=0n−1n−1Ck)\displaystyle \begin{aligned}&\sum_{k=1}^n k^2\times{}_n\mathrm C_k\\&=\sum_{k=1}^n k\times k\times\frac{n!}{(n-k)!k!}\\&=\sum_{k=1}^n k\times n\times\frac{(n-1)!}{(n-k)!(k-1)!}\\&=\sum_{k=1}^n k\times n\times{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}\\&=n\left(\sum_{k=1}^n(k-1)\times{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}+\sum_{k=1}^n{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}\right)\\&=n\left(\sum_{k=1}^{n-1} k\times{}_{n-1}\mathrm C_k+\sum_{k=0}^{n-1}{}_{n-1}\mathrm C_k\right)\end{aligned}1번 문제의 결과에 n\displaystyle n대신 n−1\displaystyle n-1을 대입한 결과 ∑k=1n−1k×n−1Ck=(n−1)2n−2\displaystyle \sum_{k=1}^{n-1} k\times{}_{n-1}\mathrm C_k=(n-1)2^{n-2}와 이항정리를 적용하면 위 식은 n{(n−1)2n−2+2n−1}=n(n+1)2n−2\displaystyle n\{(n-1)2^{n-2}+2^{n-1}\}=n(n+1)2^{n-2}와 같다. 따라서, 구하고자 하는 공책의 최소개수는 n(n+1)2n−2\displaystyle n(n+1)2^{n-2}개다.

3. 3명이 조를 짜서 방문하면 각 조원들은 3권의 공책을 받는다. 공책의 색깔이 매번 임의로 선택이 되기 때문에 3권 중 2권이상이 파란색 공책일 확률은 3C2(12)2(12)+3C3(12)3=12\displaystyle {}_3\mathrm C_2\left(\frac12\right)^2\left(\frac12\right)+{}_3\mathrm C_3\left(\frac12\right)^3=\frac12이다. 한 학생이 포함되며 조원이 3명인 조가 6개가 있고, 6번 방문에서 매번 공책의 색깔은 독립적으로 결정되므로 구하고자 하는 확률은 (12)6=164\displaystyle \left(\frac12\right)^6=\frac1{64}이다.

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