수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후1) 1번

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문제

[문제 1] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 주사위를 n\displaystyle n번 던질 때 3의 눈이 나오는 횟수가 2의 배수일 확률을 구하시오.

2. 주사위를 n\displaystyle n번(단, n≥3\displaystyle n\ge3) 던질 때 3의 눈이 나오는 횟수가 k\displaystyle k이면 100k(k−1)(k−2)\displaystyle 100k(k-1)(k-2)원의 상금을 지급한다고 하자. 상금의 기댓값을 구하시오.

3. 주사위를 n\displaystyle n번 던질 때 3의 눈이 나오는 횟수를 k\displaystyle k라 하자. k\displaystyle k가 2의 배수이면 학생 A에게 3k\displaystyle 3k원을, k\displaystyle k가 2의 배수가 아니면 학생 B에게 3k\displaystyle 3k원의 상금을 지급한다.상금의 기댓값은 어느 학생 쪽이 더 큰가? 그리고 그 차이는 얼마인가?

해설강의 준비중

[문제 1번]

+10점 · 계산의 과정을 논리의 비약 없이 충분히 설명하였는가?

1.숫자 3이 나오는 횟수가 2의 배수일 확률 =nC0(16)0(56)n+nC2(16)2(56)n−2+nC4(16)4(56)n−4+⋯−(★)\displaystyle ={}_n\mathrm C_0\left(\frac16\right)^0\left(\frac56\right)^n+{}_n\mathrm C_2\left(\frac16\right)^2\left(\frac56\right)^{n-2}+{}_n\mathrm C_4\left(\frac16\right)^4\left(\frac56\right)^{n-4}+\cdots\quad-(\text{★})(16+56)n=nC0(16)0(56)n+nC1(16)1(56)n−1+⋯+((−16)+56)n=nC0(−16)0(56)n+nC1(−16)1(56)n−1+⋯=2×★\displaystyle \begin{aligned}\left(\frac16+\frac56\right)^n&={}_n\mathrm C_0\left(\frac16\right)^0\left(\frac56\right)^n+{}_n\mathrm C_1\left(\frac16\right)^1\left(\frac56\right)^{n-1}+\cdots\\+\left(\left(-\frac16\right)+\frac56\right)^n&={}_n\mathrm C_0\left(-\frac16\right)^0\left(\frac56\right)^n+{}_n\mathrm C_1\left(-\frac16\right)^1\left(\frac56\right)^{n-1}+\cdots\\\hline&=2\times\text{★}\end{aligned}

+20점 · 3의 눈이 나오는 횟수가 2의 배수일 확률을 정확히 구하였는가?

∴★=12(1+(23)n)\displaystyle \therefore\text{★}=\frac12\left(1+\left(\frac23\right)^n\right)㈜ 0을 2의 배수로 생각하지 않는 학생이 있을 수 있다. 이 경우 답은, ★에서 0회일 확률을 제하여,12(1+(23)n)−(56)n\displaystyle \frac12\left(1+\left(\frac23\right)^n\right)-\left(\frac56\right)^n

+10점 · 계산의 과정을 논리의 비약 없이 충분히 설명하였는가?

2.기댓값 =∑k=3n100×k(k−1)(k−2)×nCk×(16)k(56)n−k=1006n∑k=3nk(k−1)(k−2)×nCk×5n−k\displaystyle =\sum_{k=3}^n100\times k(k-1)(k-2)\times{}_n\mathrm C_k\times\left(\frac16\right)^k\left(\frac56\right)^{n-k}=\frac{100}{6^n}\sum_{k=3}^nk(k-1)(k-2)\times{}_n\mathrm C_k\times5^{n-k}k(k−1)(k−2)×nCk=k(k−1)(k−2)×n!k!(n−k)!=(n−3)!(k−3)!((n−3)−(k−3))!×n(n−1)(n−2)\displaystyle k(k-1)(k-2)\times{}_n\mathrm C_k=k(k-1)(k-2)\times\frac{n!}{k!(n-k)!}=\frac{(n-3)!}{(k-3)!((n-3)-(k-3))!}\times n(n-1)(n-2)∴기댓값=100×n(n−1)(n−2)6n∑k=3nn−3Ck−3×5n−k=100×n(n−1)(n−2)6n∑k=0n−3n−3Ck×5n−(k+3)⋯⋯(5n−(k+3)=5(n−3)−k)\displaystyle \begin{aligned}\therefore\text{기댓값}&=\frac{100\times n(n-1)(n-2)}{6^n}\sum_{k=3}^n{}_{n-3}\mathrm C_{k-3}\times5^{n-k}\\&=\frac{100\times n(n-1)(n-2)}{6^n}\sum_{k=0}^{n-3}{}_{n-3}\mathrm C_k\times5^{n-(k+3)}\quad\cdots\cdots(5^{n-(k+3)}=5^{(n-3)-k})\end{aligned}

+20점 · 상금의 기댓값을 정확히 구하였는가?

=100×n(n−1)(n−2)6n(1+5)n−3=100×n(n−1)(n−2)63=2554n(n−1)(n−2)\displaystyle =\frac{100\times n(n-1)(n-2)}{6^n}(1+5)^{n-3}=\frac{100\times n(n-1)(n-2)}{6^3}=\frac{25}{54}n(n-1)(n-2) (원)

+20점 · 계산의 과정을 논리의 비약 없이 충분히 설명하였는가?

3.A가 받을 금액의 기댓값=3×0×nC0×(16)0(56)n+3×2×nC2×(16)2(56)n−2+⋯−) B가 받을 금액의 기댓값=3×1×nC1×(16)1(56)n−1+3×3×nC3×(16)3(56)n−3+⋯\displaystyle \begin{aligned}\text{A가 받을 금액의 기댓값}&=3\times0\times{}_n\mathrm C_0\times\left(\frac16\right)^0\left(\frac56\right)^n+3\times2\times{}_n\mathrm C_2\times\left(\frac16\right)^2\left(\frac56\right)^{n-2}+\cdots\\-\text{) B가 받을 금액의 기댓값}&=3\times1\times{}_n\mathrm C_1\times\left(\frac16\right)^1\left(\frac56\right)^{n-1}+3\times3\times{}_n\mathrm C_3\times\left(\frac16\right)^3\left(\frac56\right)^{n-3}+\cdots\end{aligned}=∑k=0n3k×nCk×(−16)k(56)n−k=36n∑k=0nk×nCk×(−1)k5n−k=36n∑k=1nk×nCk×(−1)k5n−k,(k×nCk=n×n−1Ck−1이므로)=3n6n∑k=1nn−1Ck−1×(−1)k×5n−k=3n6n∑k=0n−1n−1Ck×(−1)k+1×5(n−1)−k=−3n6n∑k=0n−1n−1Ck×(−1)k×5(n−1)−k=−3n6n(−1+5)n−1=−3n6n4n−1=−n2(23)n−1\displaystyle \begin{aligned}&=\sum_{k=0}^n3k\times{}_n\mathrm C_k\times\left(-\frac16\right)^k\left(\frac56\right)^{n-k}=\frac3{6^n}\sum_{k=0}^nk\times{}_n\mathrm C_k\times(-1)^k5^{n-k}=\frac3{6^n}\sum_{k=1}^nk\times{}_n\mathrm C_k\times(-1)^k5^{n-k},\quad(k\times{}_n\mathrm C_k=n\times{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}\text{이므로})\\&=\frac{3n}{6^n}\sum_{k=1}^n{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}\times(-1)^k\times5^{n-k}=\frac{3n}{6^n}\sum_{k=0}^{n-1}{}_{n-1}\mathrm C_k\times(-1)^{k+1}\times5^{(n-1)-k}=\frac{-3n}{6^n}\sum_{k=0}^{n-1}{}_{n-1}\mathrm C_k\times(-1)^k\times5^{(n-1)-k}\\&=\frac{-3n}{6^n}(-1+5)^{n-1}=\frac{-3n}{6^n}4^{n-1}=\frac{-n}2\left(\frac23\right)^{n-1}\end{aligned}

+20점 · 두 기댓값의 차이와 대소에 대한 답이 정확한가?

∴ B쪽이 더 크다. 차이 =n2(23)n−1\displaystyle =\frac n2\left(\frac23\right)^{n-1} (원)

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