수리논술, 이게 다다.

상경계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프 위에 x\displaystyle x좌표가 자연수이며 그 곱이 2000인 서로 다른 두 점이 있다.이 두 점과 원점 (0,0)\displaystyle (0,0)을 지나는 원의 중심 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)에 대하여 2x0+2y0\displaystyle 2x_0+2y_0의 최솟값을 구하시오.

2. 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프 위에 있고 x\displaystyle x좌표가 1부터 10까지의 자연수인 10개의 점들 중서로 다른 두 점을 임의로 선택할 때, 이 두 점과 원점 (0,0)\displaystyle (0,0)을 지나는 원의 중심의 y\displaystyle y좌표를확률변수 Y\displaystyle Y라 하자. Y\displaystyle Y의 기댓값을 구하시오.

3. 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프 위에 x\displaystyle x좌표가 1부터 20까지의 자연수인 20개의 점들이 있다.이들 중 임의로 선택한 서로 다른 두 점과 원점 (0,0)\displaystyle (0,0)을 지나는 원의 중심 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)에 대하여∣x0∣\displaystyle |x_0|의 값이 120일 때, y0\displaystyle y_0의 값을 확률변수 Z\displaystyle Z라 하자. Z\displaystyle Z의 기댓값을 구하시오.

해설강의 준비중

[문제 2번]

+20점 · 2x0+2y0\displaystyle 2x_0+2y_0의 식을 유도하였는가?

1. 두 점의 좌표를 (m,m2),(n,n2)\displaystyle (m,m^2),(n,n^2)이라 하면,{x02+y02=(x0−m)2+(y0−m2)2x02+y02=(x0−n)2+(y0−n2)2⇒{2mx0+2m2y0=m2+m42nx0+2n2y0=n2+n4\displaystyle \begin{cases}x_0^2+y_0^2=(x_0-m)^2+(y_0-m^2)^2\\x_0^2+y_0^2=(x_0-n)^2+(y_0-n^2)^2\end{cases}\quad\Rightarrow\quad\begin{cases}2mx_0+2m^2y_0=m^2+m^4\\2nx_0+2n^2y_0=n^2+n^4\end{cases}{2x0+2my0=m+m32x0+2ny0=n+n3⇒{2y0=n2+nm+m2+12x0=−mn(m+n)\displaystyle \begin{cases}2x_0+2my_0=m+m^3\\2x_0+2ny_0=n+n^3\end{cases}\quad\Rightarrow\quad\begin{cases}2y_0=n^2+nm+m^2+1\\2x_0=-mn(m+n)\end{cases}2x0+2y0=(m+n)2−mn+1−mn(m+n)\displaystyle 2x_0+2y_0=(m+n)^2-mn+1-mn(m+n)mn=2000\displaystyle mn=2000이므로,2x0+2y0=(m+n)2−mn+1−mn(m+n)=(m+n)2−2000(m+n)−1999=((m+n)−1000)2−10002−1999\displaystyle \begin{aligned}2x_0+2y_0&=(m+n)^2-mn+1-mn(m+n)=(m+n)^2-2000(m+n)-1999\\&=((m+n)-1000)^2-1000^2-1999\end{aligned}

+10점 · 점들의 좌표가 자연수임을 고려하여 2x0+2y0\displaystyle 2x_0+2y_0의 최솟값을 구했는가?

mn=2000\displaystyle mn=2000이고 m+n\displaystyle m+n값이 1000에 가장 가까운 경우는 2+1000=1002\displaystyle 2+1000=1002이므로2x0+2y0\displaystyle 2x_0+2y_0의 최솟값은 m+n=1002\displaystyle m+n=1002일 때, −1001995\displaystyle -1001995이다.

+30점 · y\displaystyle y좌표 기댓값을 개념에 따라 올바르게 도출하였는가?

2.선택된 두 점의 좌표를 (m,m2),(n,n2)\displaystyle (m,m^2),(n,n^2)이라 하고 이 두 점과 원점을 지나는 원의 중심을 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)라 하면 두 점 (m,m2),(n,n2)\displaystyle (m,m^2),(n,n^2)는 원 x2+y2−2x0x−2y0y=0\displaystyle x^2+y^2-2x_0x-2y_0y=0을 지나므로 2y0=n2+nm+m2+1\displaystyle 2y_0=n^2+nm+m^2+1이다.이때, Y\displaystyle Y의 기댓값은 가능한 모든 m,n\displaystyle m,n짝에 대해 원의 중심의 y\displaystyle y좌표 y0\displaystyle y_0와 확률 110C2\displaystyle \frac1{{}_{10}\mathrm C_2}을 곱하여 모두 더한 값이다.m<n\displaystyle m<n이고 n=k\displaystyle n=k일 때 가능한 (m,n)\displaystyle (m,n)은 (1,k),(2,k),⋯ ,(k−1,k)\displaystyle (1,k),(2,k),\cdots,(k-1,k)이므로이들에 대한 2y0\displaystyle 2y_0의 합을 구하면,∑m=1k−1{k2+km+m2+1}=k2(k−1)+k(k−1)k2+(k−1)k(2k−1)6+k−1=16{11k3−12k2+7k−6}.\displaystyle \begin{aligned}\sum_{m=1}^{k-1}\{k^2+km+m^2+1\}&=k^2(k-1)+k\frac{(k-1)k}2+\frac{(k-1)k(2k-1)}6+k-1\\&=\frac16\{11k^3-12k^2+7k-6\}.\end{aligned}

+10점 · 기댓값을 정확히 구하였는가?

가능한 n\displaystyle n 값은 2,⋯ ,10\displaystyle 2,\cdots,10이므로 이들에 대해 위에서 구한 값을 모두 더하면,∑n=21016{11n3−12n2+7n−6}=16{11⋅(10⋅112)2−12⋅10⋅11⋅216+7⋅10⋅112−6⋅10}=4830\displaystyle \sum_{n=2}^{10}\frac16\{11n^3-12n^2+7n-6\}=\frac16\left\{11\cdot\left(\frac{10\cdot11}2\right)^2-12\cdot\frac{10\cdot11\cdot21}6+7\cdot\frac{10\cdot11}2-6\cdot10\right\}=4830∴E(Y)=12×4830×110C2=4839=1613\displaystyle \therefore\mathrm E(Y)=\frac12\times4830\times\frac1{{}_{10}\mathrm C_2}=\frac{483}9=\frac{161}3

+20점 · ∣x0∣=120\displaystyle |x_0|=120인 경우의 y\displaystyle y좌표 기댓값을 개념에 따라 올바르게 도출하였는가?

3.선택된 두 점의 좌표를 (m,m2),(n,n2)\displaystyle (m,m^2),(n,n^2)이라 하면 원의 방정식 x2+y2−2x0x−2y0y=0\displaystyle x^2+y^2-2x_0x-2y_0y=0에서 2x0=−mn(m+n)\displaystyle 2x_0=-mn(m+n)이다.m<n\displaystyle m<n이라 하고, m⋅n⋅(m+n)=240\displaystyle m\cdot n\cdot(m+n)=240인 m,n\displaystyle m,n을 찾아보면 (m,n)=(1,15),(2,10),(4,6)\displaystyle (m,n)=(1,15),(2,10),(4,6)이므로

+10점 · 기댓값을 정확히 구하였는가?

E(Z)=12+1⋅15+152+12×13+22+2⋅10+102+12×13+42+4⋅6+62+12×13=74\displaystyle \mathrm E(Z)=\frac{1^2+1\cdot15+15^2+1}2\times\frac13+\frac{2^2+2\cdot10+10^2+1}2\times\frac13+\frac{4^2+4\cdot6+6^2+1}2\times\frac13=74

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