수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 다음 질문에 답하시오. (100점)

[가] 연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수 f(x) (α≤x≤β)\displaystyle f(x)\ (\alpha\le x\le\beta)에 대하여(1) f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0(2) f(x)\displaystyle f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=α, x=β\displaystyle x=\alpha,\ x=\beta로 둘러싸인 부분의 넓이는 1이다.(3) 두 상수 a,b (α≤a≤b≤β)\displaystyle a,b\ (\alpha\le a\le b\le\beta)에 대하여 P(a≤X≤b)\displaystyle \mathrm P(a\le X\le b)는 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a, x=b\displaystyle x=a,\ x=b로 둘러싸인 부분의 넓이이다.

[논제 Ⅰ] 상수 a\displaystyle a와 m\displaystyle m에 대하여, 연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수 f(x) (0≤x≤1)\displaystyle f(x)\ (0\le x\le1)가f(x)={mx,0≤x≤a,am1−2a(x−a)+am,a<x≤1−a,−2m(x−1),1−a<x≤1\displaystyle f(x)=\begin{cases}mx,&0\le x\le a,\\\frac{am}{1-2a}(x-a)+am,&a<x\le1-a,\\-2m(x-1),&1-a<x\le1\end{cases}로 주어지고, P(0≤X≤12)=38\displaystyle \mathrm P\left(0\le X\le\frac12\right)=\frac38이라고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, a<12)\displaystyle \left(\text{단, }a<\frac12\right)

(1) 상수 a\displaystyle a와 m\displaystyle m의 값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (14점)

(2) P(0≤X≤x)×P(x≤X≤1)\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)\times\mathrm P(x\le X\le1)의 값이 최대가 되도록 하는 x\displaystyle x의 값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (16점)

해설강의 준비중
+6점 · a\displaystyle a와 m\displaystyle m 사이의 관계식을 구한다

논제 Ⅰ-(1)f(x)\displaystyle f(x)는 연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수이므로, f(x)\displaystyle f(x)의 그래프, x\displaystyle x축, 및 직선 x=0, x=1\displaystyle x=0,\ x=1로 둘러싸인 영역의 넓이는 1이다. 이 영역의 넓이를 0≤x≤a, a≤x≤1−a\displaystyle 0\le x\le a,\ a\le x\le1-a, 그리고 1−a≤x≤1\displaystyle 1-a\le x\le1의 세 영역으로 나누어 넓이를 계산하면, 그 넓이는12×a×am+12×(am+2am)×(1−2a)+12×a×2am=32m(a−a2).\displaystyle \frac12\times a\times am+\frac12\times(am+2am)\times(1-2a)+\frac12\times a\times2am=\frac32m(a-a^2).따라서, 32m(a−a2)=1\displaystyle \frac32m(a-a^2)=1이고, m=23a(1−a)\displaystyle m=\frac2{3a(1-a)}.

+8점 · a\displaystyle a의 값과 m\displaystyle m의 값을 구한다

한편, P(0≤X≤12)=38\displaystyle \mathrm P\left(0\le X\le\frac12\right)=\frac38이고, 0<a<12\displaystyle 0<a<\frac12이므로,12a×am+12×(am+32am)×(12−a)=ma(58−34a)=38.\displaystyle \frac12a\times am+\frac12\times\left(am+\frac32am\right)\times\left(\frac12-a\right)=ma\left(\frac58-\frac34a\right)=\frac38.m=23a(1−a)\displaystyle m=\frac2{3a(1-a)}이므로, 이를 위 등식에 대입하면 23(1−a)(58−34a)=38\displaystyle \frac2{3(1-a)}\left(\frac58-\frac34a\right)=\frac38이고, 이를 정리하면,58−34a=916−916a\displaystyle \frac58-\frac34a=\frac9{16}-\frac9{16}a, 즉 a=13\displaystyle a=\frac13이고, 따라서 m=3\displaystyle m=3이다.

+8점 · 주어진 값을 최대로 하는 x\displaystyle x에 대한 조건을 구한다

논제 Ⅰ-(2)P(x≤X≤1)=1−P(0≤X≤x)\displaystyle \mathrm P(x\le X\le1)=1-\mathrm P(0\le X\le x)이므로, P(0≤X≤x)×P(x≤X≤1)\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)\times\mathrm P(x\le X\le1)의 값은 P(0≤X≤x)(1−P(0≤X≤x))\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)(1-\mathrm P(0\le X\le x))의 값과 같다. P(0≤X≤x)\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)의 값을 t\displaystyle t라 두면, 최대로 하고자 하는 값은 t(1−t)\displaystyle t(1-t)로 표현할 수 있으며, 이는 t=12\displaystyle t=\frac12일 때 최대가 된다. 따라서,P(0≤X≤x)×P(x≤X≤1)\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)\times\mathrm P(x\le X\le1)의 값이 최대가 되는 x\displaystyle x는 P(0≤X≤x)=12\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)=\frac12인 x\displaystyle x가 된다.

+8점 · x\displaystyle x에 대한 조건을 이용하여 x\displaystyle x의 값을 구한다

한편 (1)에서 구한 a\displaystyle a와 m\displaystyle m의 값에 의해, 확률밀도함수 f(x)\displaystyle f(x)는f(x)={3x,0≤x≤23,6−6x,23<x≤1.\displaystyle f(x)=\begin{cases}3x,&0\le x\le\frac23,\\6-6x,&\frac23<x\le1.\end{cases}그런데, P(0≤X≤23)=23\displaystyle \mathrm P\left(0\le X\le\frac23\right)=\frac23이므로, P(0≤X≤x)=12\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)=\frac12이 성립하려면, x<23\displaystyle x<\frac23이고, 이때 P(0≤X≤x)=12×x×3x=32x2\displaystyle \mathrm P(0\le X\le x)=\frac12\times x\times3x=\frac32x^2이다. 따라서, 주어진 값을 최대로 하는 x\displaystyle x는 x=13\displaystyle x=\frac1{\sqrt3}이다.

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