수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의·약학계 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · b\displaystyle b의 범위 (b1\displaystyle b\ge-1)를 구한다.

(1) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수가 되려면 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 f(x)0\displaystyle f(x)\ge0이고, P(0X2)=1\displaystyle \mathrm P(0\le X\le2)=1이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [0,1]\displaystyle [0,1](1,2]\displaystyle (1,2]에서 각각 일차함수이므로, 첫 번째 조건 f(x)0\displaystyle f(x)\ge0을 만족하려면f(0)=a0, f(1)=a(1+b)0, f(2)=00\displaystyle f(0)=a\ge0,\ f(1)=a(1+b)\ge0,\ f(2)=0\ge0그런데, a>0\displaystyle a>0이므로 이를 만족하는 b\displaystyle b의 범위는 b1\displaystyle b\ge-1이다.

+5점 · a\displaystyle ab\displaystyle b에 대한 식으로 표현한다.

두 번째 조건을 만족하려면P(0X2)=12×(a+a(b+1))×1+12×a(b+1)×1=a2b+32=1\displaystyle \mathrm P(0\le X\le2)=\frac12\times(a+a(b+1))\times1+\frac12\times a(b+1)\times1=a\frac{2b+3}2=1따라서 a=22b+3\displaystyle a=\frac2{2b+3}이다.

+6점 · b\displaystyle b의 범위를 이용하여 c\displaystyle c의 범위를 계산한다.

한편,c=02x2f(x)dx=01a(bx3+x2)dx+12{a(b+1)(x32x2)}dx=a(3b+4)12+11a(b+1)12=14b+1512b+18=12b+3+76\displaystyle \begin{aligned}c&=\int_0^2x^2f(x)\,dx=\int_0^1a(bx^3+x^2)\,dx+\int_1^2\{-a(b+1)(x^3-2x^2)\}\,dx\\&=\frac{a(3b+4)}{12}+\frac{11a(b+1)}{12}=\frac{14b+15}{12b+18}=-\frac1{2b+3}+\frac76\end{aligned}따라서, 주어진 범위 b1\displaystyle b\ge-1에서 c\displaystyle c의 값의 범위는 16c<76\displaystyle \frac16\le c<\frac76

+7점 · 0<b1\displaystyle 0<b\le1일 때 d\displaystyle d의 값을 계산한다.

(2) P(0X1)=12×(a+a(b+1))×1=a2(b+2)=b+22b+3\displaystyle \mathrm P(0\le X\le1)=\frac12\times(a+a(b+1))\times1=\frac a2(b+2)=\frac{b+2}{2b+3}이므로 b+22b+3=35\displaystyle \frac{b+2}{2b+3}=\frac35, 즉, b=1\displaystyle b=1을 기준으로 구간을 나누어 생각하자.(i) (0<b1\displaystyle 0<b\le1인 경우) 이 경우에는 b+22b+335\displaystyle \frac{b+2}{2b+3}\ge\frac35이므로, P(0Xd)=35\displaystyle \mathrm P(0\le X\le d)=\frac35d\displaystyle d는 구간 (0,1]\displaystyle (0,1]에 존재한다. 이때P(0Xd)=12×(a+a(bd+1))×d=a(b2d2+d)=35\displaystyle \mathrm P(0\le X\le d)=\frac12\times(a+a(bd+1))\times d=a\left(\frac b2d^2+d\right)=\frac35따라서 d\displaystyle d는 이차방정식 bd2+2d6b+95=0\displaystyle bd^2+2d-\frac{6b+9}5=0을 만족하며, d\displaystyle d는 구간 (0,1]\displaystyle (0,1]에 존재해야 하므로 d=1b(1+1+b(6b+9)5)\displaystyle d=\frac1b\left(-1+\sqrt{1+\frac{b(6b+9)}5}\right)이다.

+7점 · b>1\displaystyle b>1일 때 d\displaystyle d의 값을 계산한다.

(ii) (b>1\displaystyle b>1인 경우) 이 경우에는 b+22b+3<35\displaystyle \frac{b+2}{2b+3}<\frac35이므로, P(0Xd)=35\displaystyle \mathrm P(0\le X\le d)=\frac35d\displaystyle d는 구간 (1,2)\displaystyle (1,2)에 존재한다. 이때P(dX2)=12×(2d)×a(b+1)(2d)=a(b+1)2(d2)2=b+12b+3(d24d+4)=25\displaystyle \mathrm P(d\le X\le2)=\frac12\times(2-d)\times a(b+1)(2-d)=\frac{a(b+1)}2(d-2)^2=\frac{b+1}{2b+3}(d^2-4d+4)=\frac25따라서, d\displaystyle d는 이차방정식 d24d+16b+145b+5=0\displaystyle d^2-4d+\frac{16b+14}{5b+5}=0을 만족하며, d\displaystyle d는 구간 (1,2)\displaystyle (1,2)에 존재해야 하므로 d=24b+65b+5\displaystyle d=2-\sqrt{\frac{4b+6}{5b+5}}이다. 따라서, 구하는 값 d=g(b)\displaystyle d=g(b)g(b)={1b(1+1+b(6b+9)5)(0<b1)24b+65b+5(b>1)\displaystyle g(b)=\begin{cases}\frac1b\left(-1+\sqrt{1+\frac{b(6b+9)}5}\right)&(0<b\le1)\\2-\sqrt{\frac{4b+6}{5b+5}}&(b>1)\end{cases}

+2점 · g(12)+g(39)\displaystyle g\left(\frac12\right)+g(39)의 값을 계산한다.

그러므로, g(12)=21152, g(39)=281100=2910\displaystyle g\left(\frac12\right)=2\sqrt{\frac{11}5}-2,\ g(39)=2-\sqrt{\frac{81}{100}}=2-\frac9{10}이다. 따라서g(12)+g(39)=2115910\displaystyle g\left(\frac12\right)+g(39)=2\sqrt{\frac{11}5}-\frac9{10}

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