수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (일요일) 1-1번

문제

[가] n\displaystyle n번의 독립시행에서 사건 A\displaystyle A가 일어나는 횟수를 X\displaystyle X라고 하면 X\displaystyle X는 0,1,⋯ ,n\displaystyle 0,1,\cdots,n의 값을 갖는 확률변수이다. 한 번의 시행에서 사건 A\displaystyle A가 일어날 확률을 p\displaystyle p라고 하면 X\displaystyle X의 확률질량함수는 독립시행의 확률에 의하여P(X=k)=nCk pkqn−k(q=1−p, k=0,1,⋯ ,n)\displaystyle \mathrm{P}(X=k)={}_{n}\mathrm{C}_k\,p^kq^{n-k}\quad(q=1-p,\ k=0,1,\cdots,n)이다.[나] 미분가능한 두 함수 y=f(u)\displaystyle y=f(u)와 u=g(x)\displaystyle u=g(x)에 대하여 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))의 도함수는dydx=dydu×dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\times\frac{du}{dx} 또는 {f(g(x))}′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle \{f(g(x))\}^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)이다.[다] 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수는f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\displaystyle f^{\prime}(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}h[라] 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 미분가능하고 f′(x),g′(x)\displaystyle f^{\prime}(x),g^{\prime}(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\displaystyle \int_a^b f(x)g^{\prime}(x)\,dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b f^{\prime}(x)g(x)\,dx[마] 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,ddx∫axf(t) dt=f(x)\displaystyle \frac d{dx}\int_a^x f(t)\,dt=f(x) (단, a<x<b\displaystyle a<x<b)

[논제 I] 제시문 [가]~[마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.

[논제 I-1]자연수 n\displaystyle n과 확률 p\displaystyle p에 대하여 이산확률변수 X\displaystyle X가 가질 수 있는 값은 0부터 n\displaystyle n까지 음이 아닌 정수이며, X\displaystyle X의 확률질량함수는P(X=k)=nCk pkqn−k(q=1−p, k=0,1,⋯ ,n)\displaystyle \mathrm{P}(X=k)={}_{n}\mathrm{C}_k\,p^kq^{n-k}\quad(q=1-p,\ k=0,1,\cdots,n)이다. X\displaystyle X의 평균과 표준편차를 각각 m\displaystyle m과 σ\displaystyle \sigma라 할 때, 다음 조건들이 성립한다.(ㄱ) n≥60,0.1≤p≤0.5\displaystyle n\ge60,\quad0.1\le p\le0.5 (ㄴ) mσ=80\displaystyle m\sigma=80 (ㄷ) P(∣X−m∣≥25m)=0.0456\displaystyle \mathrm{P}\left(|X-m|\ge\frac25m\right)=0.0456.이때, n\displaystyle n과 p\displaystyle p를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (단, Z\displaystyle Z가 표준정규분포를 따르는 확률변수일 때, P(0≤Z≤1)=0.3413, P(0≤Z≤2)=0.4772, P(0≤Z≤3)=0.4987\displaystyle \mathrm{P}(0\le Z\le1)=0.3413,\ \mathrm{P}(0\le Z\le2)=0.4772,\ \mathrm{P}(0\le Z\le3)=0.4987로 계산한다.) (10점)

해설강의 준비중
+2점 · 이산확률변수 X\displaystyle X의 평균과 분산을 n\displaystyle n과 p\displaystyle p로 표현한다.

[논제 I-1]주어진 이산확률변수 X\displaystyle X의 확률질량함수로부터 X\displaystyle X는 이항분포 B(n,p)\displaystyle B(n,p)를 따른다. 따라서 X\displaystyle X의 평균은 m=np\displaystyle m=np이고 표준편차는 σ=np(1−p)\displaystyle \sigma=\sqrt{np(1-p)}이다.

+3점 · np≥5, np(1−p)≥5\displaystyle np\ge5,\ np(1-p)\ge5에서 이산확률변수 X\displaystyle X의 분포가 근사적으로 정규분포를 따름을 설명한다.

n≥60, 0.1≤p≤0.5\displaystyle n\ge60,\ 0.1\le p\le0.5에서 np≥5, np(1−p)≥5\displaystyle np\ge5,\ np(1-p)\ge5이므로 X\displaystyle X는 근사적으로 정규분포 N(np,np(1−p))\displaystyle N(np,np(1-p))를 따른다.Comment. 시행 횟수가 충분히 크므로 이항분포를 정규분포로 근사하여 계산한다.

+5점 · 주어진 표준정규분포에 대한 확률을 이용하여 n\displaystyle n과 p\displaystyle p를 구한다.

따라서 P(∣X−m∣≥25m)=P(∣X−m∣σ≥2m5σ)=P(∣Z∣≥2m5σ)=0.0456\displaystyle \mathrm{P}\left(|X-m|\ge\frac25m\right)=\mathrm{P}\left(\frac{|X-m|}{\sigma}\ge\frac{2m}{5\sigma}\right)=\mathrm{P}\left(|Z|\ge\frac{2m}{5\sigma}\right)=0.0456이고 P(∣Z∣≥2)=1−2P(0≤Z≤2)=0.0456\displaystyle \mathrm{P}(|Z|\ge2)=1-2\mathrm{P}(0\le Z\le2)=0.0456에서 2m5σ=2\displaystyle \frac{2m}{5\sigma}=2이다. 따라서 m=5σ\displaystyle m=5\sigma이고 mσ=80\displaystyle m\sigma=80에서 m=20, σ=4\displaystyle m=20,\ \sigma=4이므로 np=20, np(1−p)=16\displaystyle np=20,\ np(1-p)=16이다. 따라서, n=100, p=0.2\displaystyle n=100,\ p=0.2이다.

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