수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

(가) ‘원순열’은 서로 다른 n\displaystyle n개를 원형으로 나열하는 것을 말한다. 서로 다른 n\displaystyle n개를 일렬로 나열하는 경우의 수는 n!\displaystyle n!인데, 이것을 원형으로 나열하면 그 전체에는 같은 것이 n\displaystyle n가지 씩 있다. 따라서 원순열의 경우의 수는n!n=(n−1)!\displaystyle \frac{n!}{n}=(n-1)!이다.

(나) ‘n\displaystyle n번째 조화수 (n-th Harmonic number)’란 1\displaystyle 1부터 n\displaystyle n까지의 정수의 역수의 합을 말하며 Hn\displaystyle H_n으로 나타낸다.Hn=11+12+⋯+1n\displaystyle H_n=\frac11+\frac12+\cdots+\frac1n조화수는 매우 느리게 커진다. 1,000,000번째 조화수 조차도 15 보다 작지만 조화수는 결국 발산한다. 처음 8개의 조화수를 계산하면 다음과 같다.H1=1, H2=32, H3=116, H4=2512, H5=13760, H6=4920, H7=363140, H8=761280\displaystyle H_1=1,\ H_2=\frac32,\ H_3=\frac{11}6,\ H_4=\frac{25}{12},\ H_5=\frac{137}{60},\ H_6=\frac{49}{20},\ H_7=\frac{363}{140},\ H_8=\frac{761}{280}

(※) 1\displaystyle 1번부터 n\displaystyle n번까지 번호가 부여된 n\displaystyle n명의 학생이 있다. 1\displaystyle 1번부터 n\displaystyle n번까지 번호가 적힌 n\displaystyle n장의 카드를 n\displaystyle n명의 학생이 각각 한 장씩 뽑는다. 각 학생은 자기가 뽑은 카드의 번호와 같은 번호가 부여된 학생의 왼손을 오른손으로 잡는다. 이렇게 손을 잡아 만든 학생들의 연결 형태를 생각해 보면, 몇 개의 원 모양이 된다. (이 원 모양 중 일부는 한 명 혹은 두 명으로도 구성될 수 있다.) 이 때, 서로 한 원 모양으로 연결되어 있는 학생들끼리 같은 조로 편성한다.예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7\displaystyle 1,\ 2,\ 3,\ 4,\ 5,\ 6,\ 7번 학생이 뽑은 카드의 번호가 각각 4, 7, 5, 2, 3, 6, 1\displaystyle 4,\ 7,\ 5,\ 2,\ 3,\ 6,\ 1번이라면 3\displaystyle 3개의 조로 편성되며, 3\displaystyle 3개의 조는 각각 1, 4, 2, 7\displaystyle 1,\ 4,\ 2,\ 7번 학생, 3, 5\displaystyle 3,\ 5번 학생, 6\displaystyle 6번 학생으로 편성된다.

(2-1) 편성된 조가 한 개가 될 확률을 구하시오. (5점)

(2-2) 편성된 조가 두 개가 될 확률을 조화수가 포함된 식으로 나타내시오. (10점)

(2-3) 8명의 학생을 위와 같이 조 편성을 할 때, 세 개 이상의 조로 편성될 확률을 구하시오. (10점)

해설강의 준비중
5 · (2-1)

(2-1) 학생들이 종이를 뽑는 전체 경우의 수는 n!\displaystyle n!이 된다. 이 때 편성된 조가 한 개가 될 경우의 수는 처음부터 학생들을 한 개의 원형 책상에 둘러서게 하는 경우의 수와 같다. 즉 원순열의 개수 (n−1)!\displaystyle (n-1)!과 같다. 따라서 편성된 조가 한 개가 될 확률은 (n−1)!n!=1n\displaystyle \frac{(n-1)!}{n!}=\frac1n이다.

10 · (2-2)

Correction. 선택한 학생은 k−1\displaystyle k-1명이고, 1번 학생을 포함하여 모두 k\displaystyle k명이다. 따라서 이 문장은 “1번 학생과 선택된 k−1\displaystyle k-1명의 학생”으로 읽으면 된다. 원순열의 수 (k−1)!\displaystyle (k-1)!과 최종 확률은 맞다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(2-2) 편성된 조가 두 개가 되는 경우의 수는 두 개의 원형 책상 A, B에 1번 학생이 포함된 조와 그렇지 않은 조의 학생들을 각각 둘러서게 하는 경우의 수와 같다. 이제 2번부터 n\displaystyle n번까지의 학생들 중 1번 학생과 같이 책상 A에 배치할 학생을 k−1\displaystyle k-1명을 선택한다. 이 경우의 수는n−1Ck−1=(n−1)!(k−1)!(n−k)!\displaystyle {}_{n-1}\mathrm C_{k-1}=\frac{(n-1)!}{(k-1)!(n-k)!}이다. 선택되지 않은 나머지 n−k\displaystyle n-k명의 학생은 책상 B에 배치를 한다. 책상 B에 반드시 한 명 이상의 학생이 있어야 하므로, k\displaystyle k의 범위는 1≤k≤n−1\displaystyle 1\le k\le n-1이 된다. 책상 A에 1번 학생과 선택된 k\displaystyle k명의 학생을 둘러서게 배치를 하는 경우의 수는 (k−1)!\displaystyle (k-1)!이다. 책상 B에 나머지 n−k\displaystyle n-k명의 학생을 둘러서게 배치를 하는 경우의 수는 (n−k−1)!\displaystyle (n-k-1)!이다. 그러므로 총 경우의 수는 다음과 같다.∑k=1n−1n−1Ck−1(k−1)!(n−k−1)!=∑k=1n−1(n−1)!(n−k)=(n−1)!{1n−1+1n−2+⋯+12+1}=(n−1)!Hn−1\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^{n-1}{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}(k-1)!(n-k-1)!&=\sum_{k=1}^{n-1}\frac{(n-1)!}{(n-k)}\\&=(n-1)!\left\{\frac1{n-1}+\frac1{n-2}+\cdots+\frac12+1\right\}\\&=(n-1)!H_{n-1}\end{aligned}따라서 편성된 조가 두 개가 될 확률은 (n−1)!Hn−1n!=Hn−1n\displaystyle \frac{(n-1)!H_{n-1}}{n!}=\frac{H_{n-1}}n이다.

10 · (2-3)

(2-3) 8명의 학생을 문제 구성(※)과 같이 조 편성을 할 때, n=8\displaystyle n=8이므로, (2-1)에 의해서 정확히 1개의 조로 편성될 확률은 18\displaystyle \frac18이고, (2-2)에 의해서 정확히 2개의 조로 편성될 확률은 H78=3631120\displaystyle \frac{H_7}8=\frac{363}{1120}이 된다. 따라서 여사건 확률에 의해 세 개 이상의 조로 편성될 확률은 1−18−3631120=6171120\displaystyle 1-\frac18-\frac{363}{1120}=\frac{617}{1120}이 된다.

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