수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

문제 2 (20점)

홍익이는 아빠, 엄마와 함께 다음의 방식으로 주사위 놀이를 한다. 주사위는 정육면체이며, 주사위를 던졌을 때 각 면이 나올 확률은 모두 같다. 세 사람은 각자의 주사위를 가지고 있으며, 주사위의 각 면에는 서로 다른 자연수가 쓰여 있다. 주사위 놀이에서는 두 사람이 자신의 주사위를 동시에 한 번 던져 더 큰 수가 나온 사람이 승리한다. 홍익이, 아빠, 엄마의 주사위에 있는 총 18개의 면에는 모두 다른 자연수가 쓰여 있어 이 놀이에서 무승부는 나오지 않는다. 홍익이와 아빠의 주사위에 쓰인 숫자는 각각 다음과 같다.

홍익이의 주사위: 2,4,23,25,29,31\displaystyle 2,4,23,25,29,31아빠의 주사위: 5,7,11,13,35,37\displaystyle 5,7,11,13,35,37

(1) 홍익이의 주사위를 한 번 던져 나오는 수를 확률변수 X\displaystyle X, 아빠의 주사위를 한 번 던져 나오는 수를 확률변수 Y\displaystyle Y라 하자. X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y의 기댓값 E(X)\displaystyle \mathrm{E}(X)와 E(Y)\displaystyle \mathrm{E}(Y)를 구하시오.

(2) 홍익이와 아빠가 주사위 놀이를 한다면 둘 중 누가 더 유리한지 설명하시오.

(3) 홍익이와 아빠는 매일 한 번씩 총 405\displaystyle 405일간 주사위 놀이를 하였다. 홍익이가 승리한 날이 총 200\displaystyle 200일 이상이 될 확률을 아래의 표준정규분포표를 사용하여 구하시오.

zzP(0≤Z≤z)\mathrm{P}(0\le Z\le z)
0.50.1915
1.00.3413
2.00.4772
3.00.4987

(4) 엄마의 주사위는 각 면의 자연수를 엄마가 임의로 선택하여 만들 수 있다. 단, 제시문의 설명과 같이, 홍익이, 아빠, 엄마의 주사위에 있는 총 18개의 면에는 모두 다른 자연수가 쓰여야 한다. 엄마는 이 주사위를 홍익이와 주사위 놀이를 할 때 사용하고, 같은 주사위를 아빠와 주사위 놀이를 할 때도 사용한다. 엄마가 홍익이와 주사위 놀이를 하여 엄마가 승리할 확률을 p1\displaystyle p_{1}이라 하고, 엄마가 아빠와 주사위 놀이를 하여 엄마가 승리할 확률을 p2\displaystyle p_{2}라 하자. 엄마가 p1−p2\displaystyle p_{1}-p_{2}가 최대가 되도록 주사위 각 면의 자연수를 선택한다고 할 때, p1−p2\displaystyle p_{1}-p_{2}의 최댓값은 무엇인지 설명하시오.

2점 만점 · 기댓값 E(X)\displaystyle \mathrm{E}(X)를 구함 (1점) 기댓값 E(Y)\displaystyle \mathrm{E}(Y)를 구함 (1점)

(1) E(X)=2+4+23+25+29+316=19\displaystyle \mathrm{E}(X)=\frac{2+4+23+25+29+31}{6}=19, E(Y)=5+7+11+13+35+376=18.\displaystyle \mathrm{E}(Y)=\frac{5+7+11+13+35+37}{6}=18.

3점 만점 · 홍익이 또는 아빠가 주사위 놀이에서 승리할 확률을 구함 (2점) 두 확률을 비교하여 아빠가 유리함을 판단함 (1점)

(2) 홍익이와 아빠 두 사람이 동시에 주사위를 던졌을 때 홍익이가 승리할 경우의 수를 나타내는 다음의 표에서 홍익이가 승리할 확률은 49\displaystyle \frac{4}{9} 이며, 아빠가 승리할 확률은 59\displaystyle \frac{5}{9}이므로 아빠가 더 유리하다.

 2423252931
5××○○○○
7××○○○○
11××○○○○
13××○○○○
35××××××
37××××××
3점 만점 · 홍익이가 승리한 날을 나타내는 확률변수는 이항분포 B(405,49)\displaystyle \mathrm{B}\left(405,\frac{4}{9}\right)를 따름을 서술함 (1점) 이항분포를 정규분포 N(180,102)\displaystyle \mathrm{N}(180,10^{2})로 근사하고, 표준정규분포표를 사용하여 확률을 계산함 (2점)

(3) 홍익이가 승리한 날의 수를 확률변수 W\displaystyle W라 하면, W\displaystyle W는 이항분포 B(405,49)\displaystyle \mathrm{B}\left(405,\frac{4}{9}\right)를 따르며, 평균 m\displaystyle m과 표준편차 σ\displaystyle \sigma는 각각 m=405×49=180\displaystyle m=405\times\frac{4}{9}=180, σ=405×49×59=100=10\displaystyle \sigma=\sqrt{405\times\frac{4}{9}\times\frac{5}{9}}=\sqrt{100}=10 이다. 확률변수 W\displaystyle W는 근사적으로 정규분포 N(180,102)\displaystyle \mathrm{N}(180,10^{2})을 따르므로 구하는 확률은P(200≤W)=P(200−18010≤Z)=P(2≤Z)=12−P(0≤Z≤2)=0.5−0.4772=0.0228\displaystyle \mathrm{P}(200\le W)=\mathrm{P}\left(\frac{200-180}{10}\le Z\right)=\mathrm{P}(2\le Z)=\frac{1}{2}-\mathrm{P}(0\le Z\le2)=0.5-0.4772=0.0228 이다.

12점 만점 · 제시문에 주어진 조건이 엄마의 주사위에 쓰인 숫자의 선택에 미치는 영향을 고려하고, 엄마의 선택에 따라 확률 p1\displaystyle p_{1}과 p2\displaystyle p_{2}에 어떤 영향을 미치는지 분석함 (2점) p1−p2\displaystyle p_{1}-p_{2}의 최댓값을 구함 (4점) 구한 값이 p1−p2\displaystyle p_{1}-p_{2}의 최댓값임을 논리적으로 증명함 (6점)

(4) A\displaystyle A를 홍익이의 주사위에 쓰인 자연수들의 집합이라 하고, B\displaystyle B를 아빠의 주사위에 쓰인 자연수들의 집합이라 하자. A\displaystyle A 또는 B\displaystyle B에 속하지 않는 자연수 n\displaystyle n에 대해 f(n)\displaystyle f(n)을 n\displaystyle n보다 작은 A\displaystyle A의 원소의 개수라 하고, g(n)\displaystyle g(n)을 n\displaystyle n보다 작은 B\displaystyle B의 원소의 개수라 하자. 만약 ai\displaystyle a_{i}를 엄마의 주사위에 쓰인 i\displaystyle i번째 자연수라 하면, ∑i=16f(ai)\displaystyle \sum_{i=1}^{6}f(a_{i})는 엄마와 홍익이의 주사위 놀이로 나오는 36개의 결과 중 엄마가 승리하는 경우의 수이므로 p1=136∑i=16f(ai)\displaystyle p_{1}=\frac{1}{36}\sum_{i=1}^{6}f(a_{i})이다. 같은 이유로 p2=136∑i=16g(ai)\displaystyle p_{2}=\frac{1}{36}\sum_{i=1}^{6}g(a_{i}) 이며 p1−p2=136∑i=16(f(ai)−g(ai))\displaystyle p_{1}-p_{2}=\frac{1}{36}\sum_{i=1}^{6}(f(a_{i})-g(a_{i})) 이 성립한다. 다음의 표는 A\displaystyle A 또는 B\displaystyle B에 속하지 않는 자연수 n\displaystyle n에 대해, 그 자연수가 속한 구간에 따른 f\displaystyle f, g\displaystyle g, f−g\displaystyle f-g의 값을 나타낸다.

AA 2 4        23 25 29 31     
BB    5 7 11 13         35 37 
ff0×1××2×2×2×2×3×4×5×6×6×6
gg0×0××1×2×3×4×4×4×4×4×5×6
f−gf-g0×1××1×0×−1×−2×−1×0×1×2×1×0

따라서 p1−p2=136∑i=16(f(ai)−g(ai))\displaystyle p_{1}-p_{2}=\frac{1}{36}\sum_{i=1}^{6}(f(a_{i})-g(a_{i}))의 값이 최대가 되는 경우는 엄마가 f−g\displaystyle f-g의 값이 2인 31과 35 사이의 세 자연수 32,33,34\displaystyle 32,33,34를 모두 선택하고, f−g\displaystyle f-g의 값이 1인 3,6,30,36\displaystyle 3,6,30,36 중 임의로 나머지 세 자연수를 선택하는 경우이므로, p1−p2\displaystyle p_{1}-p_{2}의 최댓값은p1−p2=3×2+3×136=936=14\displaystyle p_{1}-p_{2}=\frac{3\times2+3\times1}{36}=\frac{9}{36}=\frac{1}{4} 이다.

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