수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

1\displaystyle 1부터 10\displaystyle 10까지의 자연수를 모두 사용하여 임의의 순서로 나열하는 시행의 결과를 a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}, a3\displaystyle a_{{3}}, ⋯\displaystyle \cdots , a10\displaystyle a_{{10}}이라고 하자.

(1) a1<a2\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}}인 사건을 A\displaystyle A라고 할 때, 확률 P(A)\displaystyle \mathrm P ( A )를 구하시오.

(2) a1<a2\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}}인 사건을 A\displaystyle A라고 하고 a2<a3\displaystyle a_{{2}} < a_{{3}}인 사건을 B\displaystyle B라고 할 때, 사건 A\displaystyle A와 사건 B\displaystyle B가 독립인지 종속인지 근거를 제시하여 판단하시오.

(3) a1<a2<a3<a4\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}} < a_{{3}} < a_{{4}}인 사건을 C\displaystyle C라고 할 때, 확률 P(C)\displaystyle \mathrm P ( C )를 구하시오.

(4) a1<a2<⋯<an\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}} < \cdots < a_{{n}}을 만족하는 자연수 n\displaystyle n의 최댓값을 확률변수 X\displaystyle X라고 하자.

예) 5‾,2,9,3,1,⋯ : X=1\displaystyle \underline{5},2,9,3,1,\cdots\ :\ X=1

3,4,8‾,5,1,⋯ : X=3\displaystyle \underline{3,4,8},5,1,\cdots\ :\ X=3

확률변수 X\displaystyle X의 기댓값 E(X)\displaystyle \mathrm E ( X )가 1<E(X)<2\displaystyle 1 < \mathrm E ( X ) < 2을 만족함을 보이시오.

해설강의 준비중
+4점 · 답 P(A)=12\displaystyle \mathrm P(A)=\frac12 제시 (1점) 과정을 설명함 (3점)

(1) a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}를 제외한 나머지 8\displaystyle 8개의 항을 고정하고 a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}를 순서를 바꾸어 얻는 2\displaystyle 2개의 수열 중 하나의 수열이 조건을 만족하므로 P(A)=12\displaystyle \mathrm P ( A ) = \frac{1}{2}이다.

+4점 · 확률 P(A∩B)=16, P(B)=12\displaystyle \mathrm P(A\cap B)=\frac16,\ \mathrm P(B)=\frac12 구하기 (2점) P(A∩B)\displaystyle \mathrm P(A\cap B)와 P(A)P(B)\displaystyle \mathrm P(A)\mathrm P(B)를 비교하여 독립/종속을 판별 (2점)

(2) (1)과 같은 논리로 a2<a3\displaystyle a_{{2}} < a_{{3}}이 되는 사건 B\displaystyle B의 확률 P(B)\displaystyle \mathrm P ( B )도 12\displaystyle \frac{1}{2}이다.

사건 A∩B\displaystyle A \cap B는 a1<a2<a3\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}} < a_{{3}}를 만족하는 사건인데, a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}, a3\displaystyle a_{{3}}를 제외한 나머지 7\displaystyle 7개의 항을 고정하고 a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}, a3\displaystyle a_{{3}}를 순서를 바꾸어 얻는 6\displaystyle 6개의 수열 중 하나의 수열이 a1<a2<a3\displaystyle a_{{1}} < a_{{2}} < a_{{3}}를 만족하므로 확률 P(A∩B)\displaystyle \mathrm P ( A \cap B )는 16\displaystyle \frac{1}{6}이다.

따라서, P(A∩B)≠P(A)P(B)=14\displaystyle \mathrm P ( A \cap B ) \ne \mathrm P ( A ) \mathrm P ( B ) = \frac{1}{4}이므로 이 두 사건은 종속이다.

+4점 · 답 P(C)=124\displaystyle \mathrm P(C)=\frac1{24} 제시 (1점) 과정을 설명함 (3점)

(3) (1)과 같은 논리로 a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}, a3\displaystyle a_{{3}}, a4\displaystyle a_{{4}}를 제외한 나머지 6\displaystyle 6개의 항을 고정하고 a1\displaystyle a_{{1}}, a2\displaystyle a_{{2}}, a3\displaystyle a_{{3}}, a4\displaystyle a_{{4}}를 순서를 바꾸어 얻는 4!=24\displaystyle 4 ! = 24개의 수열 중 하나의 수열이 조건을 만족하므로 구하는 확률 P(C)\displaystyle \mathrm P ( C )는 124\displaystyle \frac{1}{24}이다.

+8점 · X=1,2,3,4\displaystyle X=1,2,3,4일 때의 확률을 구함 (2점) 기댓값의 개념을 알고 수식으로 표현 (2점) 1<E(X)<2\displaystyle 1<\mathrm E(X)<2임을 보임 (4점)

(4) 위의 (1)-(3)로부터

P(X≥1)=1\displaystyle \mathrm P ( X \ge 1 ) = 1

P(X≥2)=P(A)=12\displaystyle \mathrm P ( X \ge 2 ) = \mathrm P ( A ) = \frac{1}{2}

P(X≥3)=P(A∩B)=16\displaystyle \mathrm P ( X \ge 3 ) = \mathrm P ( A \cap B ) = \frac{1}{6}

P(X≥4)=P(C)=124\displaystyle \mathrm P ( X \ge 4 ) = \mathrm P ( C ) = \frac{1}{24}

임을 알 수 있다.

따라서

P(X=1)=P(X≥1)−P(X≥2)=1−12=12\displaystyle \mathrm P ( X = 1 ) = \mathrm P ( X \ge 1 ) - \mathrm P ( X \ge 2 ) = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}

P(X=2)=P(X≥2)−P(X≥3)=12−16=13\displaystyle \mathrm P ( X = 2 ) = \mathrm P ( X \ge 2 ) - \mathrm P ( X \ge 3 ) = \frac{1}{2} - \frac{1}{6} = \frac{1}{3}

P(X=3)=P(X≥3)−P(X≥4)=16−124=18\displaystyle \mathrm P ( X = 3 ) = \mathrm P ( X \ge 3 ) - \mathrm P ( X \ge 4 ) = \frac{1}{6} - \frac{1}{24} = \frac{1}{8}

이다.

그러므로

E(X)≥1⋅P(X=1)+2⋅P(X=2)=1⋅12+2⋅13>1\displaystyle \mathrm E ( X ) \ge 1 \cdot \mathrm P ( X = 1 ) + 2 \cdot \mathrm P ( X = 2 ) = 1 \cdot \frac{1}{2} + 2 \cdot \frac{1}{3} > 1

이고

E(X)≤1⋅P(X=1)+2⋅P(X=2)+3⋅P(X=3)+10⋅P(X≥4)=1⋅12+2⋅13+3⋅18+10⋅124=4724<2\displaystyle \begin{aligned}\mathrm E(X)&\le1\cdot\mathrm P(X=1)+2\cdot\mathrm P(X=2)+3\cdot\mathrm P(X=3)+10\cdot\mathrm P(X\ge4)\\&=1\cdot\frac12+2\cdot\frac13+3\cdot\frac18+10\cdot\frac1{24}\\&=\frac{47}{24}<2\end{aligned}

이다.

그러므로 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값 E(X)\displaystyle \mathrm E ( X )가 1<E(X)<2\displaystyle 1 < \mathrm E ( X ) < 2을 만족한다.

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