수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 1번

문제

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해설강의 준비중
+7점 · 조합을 이용하여 확률을 N\displaystyle N에 대한 함수로 올바르게 표시 (7점)

(1)

총 경우의 수: NC25\displaystyle {}_{N}\mathrm C_{25} (총 N\displaystyle N마리중 25마리를 순서 상관없이 뽑는 경우의 수)

문제의 사건이 일어날 경우의 수: 20C3×N20C22\displaystyle {}_{20}\mathrm C_3\times{}_{N-20}\mathrm C_{22} (표식이 붙여진 20마리 중 3마리를 뽑을 경우의 수 ×\displaystyle \times 표식이 붙여지지 않은 (N20)\displaystyle (N-20)마리 중 (253)\displaystyle (25-3)마리를 뽑을 경우의 수)

따라서 이 사건의 확률은

f(N)=20C3×N20C22NC25=20!3!(203)!(N20)!(22)!(N2022)!N!25!(N25)!=20!25!(N20)!(N25)!3!17!22!(N42)!N!\displaystyle \begin{aligned}f(N)&=\frac{{}_{20}\mathrm C_3\times{}_{N-20}\mathrm C_{22}}{{}_{N}\mathrm C_{25}}=\frac{\frac{20!}{3!(20-3)!}\frac{(N-20)!}{(22)!(N-20-22)!}}{\frac{N!}{25!(N-25)!}}\\&=\frac{20!25!(N-20)!(N-25)!}{3!17!22!(N-42)!N!}\end{aligned}

답안으로 가능한 다른 표현들

f(N)=20C3×N20C22NC25,f(N)=20×19×18×25×24×23×(N20)!(N25)!3!(N42)!N!\displaystyle f(N)=\frac{{}_{20}\mathrm C_3\times{}_{N-20}\mathrm C_{22}}{{}_{N}\mathrm C_{25}},\quad f(N)=\frac{20\times19\times18\times25\times24\times23\times(N-20)!(N-25)!}{3!(N-42)!N!}

+3점 · 문제에서 요구한 유리함수 형태로 g(N)\displaystyle g(N)을 표시 (3점)

(2)

g(N)=20C3×N+120C22N+1C2520C3×N20C22NC25=20!25!(N+120)!(N+125)!3!17!22!(N+142)!(N+1)!20!25!(N20)!(N25)!3!17!22!(N42)!N!=(N19)(N24)(N41)(N+1)=N243N+456N240N41\displaystyle \begin{aligned}g(N)&=\frac{\frac{{}_{20}\mathrm C_3\times{}_{N+1-20}\mathrm C_{22}}{{}_{N+1}\mathrm C_{25}}}{\frac{{}_{20}\mathrm C_3\times{}_{N-20}\mathrm C_{22}}{{}_{N}\mathrm C_{25}}}\\&=\frac{\frac{20!25!(N+1-20)!(N+1-25)!}{3!17!22!(N+1-42)!(N+1)!}}{\frac{20!25!(N-20)!(N-25)!}{3!17!22!(N-42)!N!}}\\&=\frac{(N-19)(N-24)}{(N-41)(N+1)}=\frac{N^2-43N+456}{N^2-40N-41}\end{aligned}

+5점 · N\displaystyle N의 범위를 각각 올바르게 구함 (5점) 두 개의 범위중 한 가지만 올바르게 구함 (2점)

(3) 42N\displaystyle 42 \leq N일 때, f(N)>0\displaystyle f ( N ) > 0이므로 f(N+1)>f(N)\displaystyle f ( N + 1 ) > f ( N )일 필요충분조건은 1<f(N+1)f(N)=N243N+456N240N41\displaystyle 1 < \frac{{f ( N + 1 )}}{{f ( N )}} = \frac{{N^{{2}} - 43 N + 456}}{{N^{{2}} - 40 N - 41}}즉, N243N+456>N240N41\displaystyle N^{{2}} - 43 N + 456 > N^{{2}} - 40 N - 41이다.

따라서 3N<497\displaystyle 3 N < 497, N<4973=165.666\displaystyle N < \frac{{497}}{{3}} = 165.666 \cdots 이다.

N\displaystyle N은 자연수이므로 42N165\displaystyle 42 \leq N \leq 165

마찬가지로 f(N+1)<f(N)\displaystyle f ( N + 1 ) < f ( N )일 필요충분조건은 N>165.666\displaystyle N > 165.666 \cdots 이다.

N\displaystyle N은 자연수이므로 N166\displaystyle N \geq 166

+5점 · N=166\displaystyle N=166을 올바르게 구하고 이때 f(N)\displaystyle f(N)가 자연수 N\displaystyle N일 때 최대가 됨을 설명 (5점) g(N)>1\displaystyle g(N)>1일 때 f(N)\displaystyle f(N)는 증가하며, g(N)<1\displaystyle g(N)<1일 때 f(N)\displaystyle f(N)은 감소함을 판단 (2점) 일차부등식을 통한 풀이를 통해 f(N)\displaystyle f(N)의 증감을 올바르게 판단 (2점)

(4) (3)\displaystyle ( 3 )으로부터 42\displaystyle 42이상의 자연수의 집합에서 정의된 함수 f(N)\displaystyle f ( N )에 대해, 42N165\displaystyle 42 \leq N \leq 165일 때 f(N)<f(N+1)\displaystyle f ( N ) < f ( N + 1 )이고, N166\displaystyle N \geq 166일 때 f(N)>f(N+1)\displaystyle f ( N ) > f ( N + 1 )이다.

즉, f(42)<f(43)<<f(165)<f(166)>f(167)>\displaystyle f ( 42 ) < f ( 43 ) < \cdots < f ( 165 ) < f ( 166 ) > f ( 167 ) > \cdots 이므로 N=166\displaystyle N = 166일 때 f(N)\displaystyle f ( N )은 최대가 된다.

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