수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

주어진 자료의 변량 x\displaystyle x의 범위를 일정한 간격으로 나누었을 때, 각 구간을 ‘계급’이라 한다. 각 계급에 속하는 자료의 수를 그 계급의 ‘도수’라 하고, 도수의 총합에 대한 각 계급의 도수의 비를 그 계급의 ‘상대도수’라 한다. (각 계급의 상대도수) / (계급의 크기)를 나타낸 히스토그램을 생각하자. 계급의 크기가 충분히 작고 도수의 총합이 충분히 클 때, 대부분의 경우 이 히스토그램은 어떤 연속함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 그래프처럼 보인다. 주어진 구간 a≤x≤b\displaystyle a \le x \le b에서 이 그래프 아래쪽의 넓이는 변량이 이 구간에 속하는 자료의 상대도수와 대략 같다.

(1) 좌표평면 위에 중심이 원점이고 반지름이 1\displaystyle 1인 원 C\displaystyle C가 있다. 원 C\displaystyle C의 내부에 균등하게 분포되어 있는 N\displaystyle N개의 점에 대하여, 이들 점의 x\displaystyle x좌표의 상대도수분포를 생각하여 제시문에서와 같은 함수 f(x)\displaystyle f ( x )를 구하여 보자. 아래 식의 비는 N→∞\displaystyle N \to \infty 일 때 수렴하며 이 극한값을 F(b)\displaystyle F ( b )라 하자. (단, −1≤b≤1\displaystyle - 1 \le b \le 1이다.)

lim⁡N→∞N개의 점 중 x좌표가 −1과 b사이에 있는 점의 개수N=F(b)\displaystyle \lim_{N\to\infty}\frac{N\text{개의 점 중 }x\text{좌표가 }-1\text{과 }b\text{사이에 있는 점의 개수}}N=F(b)

임의의 −1≤b≤1\displaystyle - 1 \le b \le 1에 대해 아래의 식이 성립하는 함수 f(x)\displaystyle f ( x )를 구하여라.

F(b)=∫−1bf(x) dx\displaystyle F(b)=\int_{-1}^b f(x)\,dx

(2) 다음의 각 경우 문항 (1)에서와 같이 함수 F\displaystyle F와 f\displaystyle f를 고려하여 함수 f(x)\displaystyle f ( x )를 구하여라.

(2-1) 좌표평면 위에 중심이 원점이고 반지름이 1인 원 C\displaystyle C가 있다. 원 C\displaystyle C 위에 균등하게 분포되어 있는 N\displaystyle N개의 점들의 x\displaystyle x좌표

(2-2) 좌표공간 위에 중심이 원점이고 반지름이 1인 구면 S\displaystyle S가 있다. 구면 S\displaystyle S 위에 균등하게 분포되어 있는 N\displaystyle N개의 점들의 x\displaystyle x좌표

(참고) 지구에서 적도와 북위 α\displaystyle \alpha 위도선 사이의 영역의 넓이를 G(α)\displaystyle G ( \alpha )라 하자. G(α)\displaystyle G ( \alpha )는 sin⁡α\displaystyle \sin \alpha 에 정비례한다. (단, 지구는 구형이라고 가정하자.)

해설강의 준비중
+8점 · F(b)\displaystyle F(b)가 면적의 비임을 설명함 (+3점) F(b)\displaystyle F(b)를 적분으로 나타내고 f(x)\displaystyle f(x)를 구하였으며 이 과정을 설명함 (+5점)

(1) 많은 수의 점이 원 내부에 균등하게 분포되어 있다면, 원 내부의 어느 영역에든 대략 그 영역의 면적에 비례하는 개수의 점이 분포한다. 특히 전체 점 중 x\displaystyle x좌표가 −1\displaystyle - 1과 b\displaystyle b사이에 있는 점, 즉 아래 그림에서 어두운 영역에 있는 점의 비는 대략 원의 면적에 대한 어두운 영역의 면적의 비가 된다.

단위원 내부에서 x좌표가 -1과 b 사이인 어두운 영역.

따라서 F(b)=\displaystyle F ( b ) =(어두운 영역의 면적) / π\displaystyle \pi 이다. 위 아래 반원은 각각 함수 y=1−x2\displaystyle y = \sqrt{{1 - x^{{2}}}}, y=−1−x2\displaystyle y = - \sqrt{{1 - x^{{2}}}}의 그래프이므로

F(b)=1π∫−1b21−x2 dx\displaystyle F(b)=\frac1\pi\int_{-1}^b2\sqrt{1-x^2}\,dx이고, f(x)=2π1−x2\displaystyle f(x)=\frac2\pi\sqrt{1-x^2}이다.

+6점 · f(x)\displaystyle f(x)를 구하고 이 과정을 설명함 (6점)

(2)

(2-1)

단위원의 원호 QPQ prime과 x좌표 b.

원 C\displaystyle C위에 많은 수의 점이 균등하게 분포되어 있다면 주어진 원호 위에는 대략 원호의 길이에 비례하는 개수의 점이 분포한다. 특히 전체 점 중 x\displaystyle x좌표가 −1\displaystyle - 1과 b\displaystyle b사이에 있는 점, 즉 원호 QPQ′\displaystyle Q P Q^{\prime}위에 있는 점의 비는 대략 (원호 QPQ′\displaystyle Q P Q^{\prime}의 길이) / 2π\displaystyle 2 \pi 이다. 따라서 F(b)=\displaystyle F ( b ) =(원호 PQ\displaystyle P Q의 길이) / π\displaystyle \pi 이다. 원호 PQ\displaystyle P Q는 함수 y=1−x2\displaystyle y = \sqrt{{1 - x^{{2}}}} (−1≤x≤b)\displaystyle ( - 1 \le x \le b )의 그래프이므로 곡선의 길이의 공식에 의해

F(b)=1π∫−1b1+(dydx)2 dx=1π∫−1b1+(−x1−x2)2 dx=1π∫−1b11−x2 dx\displaystyle \begin{aligned}F(b)&=\frac1\pi\int_{-1}^b\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\,dx\\&=\frac1\pi\int_{-1}^b\sqrt{1+\left(\frac{-x}{\sqrt{1-x^2}}\right)^2}\,dx\\&=\frac1\pi\int_{-1}^b\sqrt{\frac1{1-x^2}}\,dx\end{aligned}

따라서 f(x)=1π1−x2\displaystyle f(x)=\frac1{\pi\sqrt{1-x^2}}이다.

+6점 · f(x)\displaystyle f(x)를 구하고 이 과정을 설명함 (6점)

(2-2)

구면의 x좌표가 0과 b 사이인 영역과 중심각 alpha.

구면 S\displaystyle S에서 x\displaystyle x좌표가 a\displaystyle a와 b\displaystyle b사이인 영역의 넓이를 A(a,b)\displaystyle A ( a , b )라 하자. (참고)에 따르면 구면 S\displaystyle S에서 x\displaystyle x좌표가 0\displaystyle 0와 b\displaystyle b사이인 영역의 넓이 A(0,b)\displaystyle A ( 0 , b )는 sin⁡α=b\displaystyle \sin \alpha = b에 비례한다. (단, 0≤b≤1\displaystyle 0 \le b \le 1) 즉, 적당한 비례상수 k\displaystyle k에 대해 A(0,b)=kb\displaystyle A ( 0 , b ) = k b이 성립한다. 구면 S\displaystyle S의 겉넓이는 4π\displaystyle 4 \pi 이므로 A(0,1)=k=2π\displaystyle A ( 0 , 1 ) = k = 2 \pi 즉, A(0,b)=2πb\displaystyle A ( 0 , b ) = 2 \pi b이다.

0≤b≤1\displaystyle 0 \le b \le 1 일 때,

A(−1,b)=A(−1,0)+A(0,b)=2π+2πb\displaystyle A ( - 1 , b ) = A ( - 1 , 0 ) + A ( 0 , b ) = 2 \pi + 2 \pi b

이고, 또한 이 때

A(−1,−b)=A(−1,0)−A(0,b)=2π−2πb\displaystyle A ( - 1 , - b ) = A ( - 1 , 0 ) - A ( 0 , b ) = 2 \pi - 2 \pi b

임은 명백하므로 모든 −1≤b≤1\displaystyle - 1 \le b \le 1에 대해 A(−1,b)=2π+2πb\displaystyle A ( - 1 , b ) = 2 \pi + 2 \pi b이다. 많은 수의 점이 구면 위에 균등하게 분포되어 있다면, 전체 점 중 x\displaystyle x좌표가 −1\displaystyle - 1과 b\displaystyle b사이에 있는 점의 비는 대략 구면 S\displaystyle S의 전체 겉넓이에 대한 이 영역 즉, 구면에서 x\displaystyle x좌표가 −1\displaystyle - 1과 b\displaystyle b사이인 영역의 넓이의 비가 된다. 따라서 모든 −1≤b≤1\displaystyle - 1 \le b \le 1에 대해

F(b)=A(−1,b)4π=1+b2\displaystyle F(b)=\frac{A(-1,b)}{4\pi}=\frac{1+b}2

이다. 식 F(b)=∫−1bf(x) dx\displaystyle F(b)=\int_{-1}^b f(x)\,dx로부터 f(x)\displaystyle f(x)는 F(x)\displaystyle F(x)의 도함수이다. 따라서 f(x)=12\displaystyle f(x)=\frac12이다.

※ 위에서 A(0,b)=kb\displaystyle A ( 0 , b ) = k b의 비례상수 k\displaystyle k는 F(b)\displaystyle F ( b )를 구할 때 상쇄되므로 k=2π\displaystyle k = 2 \pi 값을 구할 필요는 없다.

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