수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[다] 이산확률변수의 기댓값(평균)이산확률변수 X\displaystyle X의 확률질량함수가 P(X=xi)=pi (i=1,2,⋯ ,n)\displaystyle \mathrm P(X=x_i)=p_i\ (i=1,2,\cdots,n)일 때, 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값(평균) E(X)\displaystyle E(X)는E(X)=x1p1+x2p2+⋯+xnpn\displaystyle E(X)=x_1p_1+x_2p_2+\cdots+x_np_n

[논제 Ⅱ] 어느 학교 과학 동아리는 식물의 성장 상태를 나타내는 성장 지수를 관찰하고 있다. 현재 성장 지수는 16이며, 성장 지수는 한 달이 지날 때마다 확률 12\displaystyle \frac12로 이전 달의 2배가 되고 확률 12\displaystyle \frac12로 이전 달의 12\displaystyle \frac12배가 되며, 각 달의 변화는 서로 독립이다. 동아리는 3개월 뒤, 3개월 후 성장 지수가 관찰 기간 동안 매달 말에 기록한 세 성장 지수, 즉 1개월 후, 2개월 후, 3개월 후 성장 지수의 산술평균보다 크면 그 차이3개월 후 성장 지수 - 1개월 후, 2개월 후, 3개월 후 성장 지수의 산술평균를 성장 보너스로 받고, 3개월 후 성장 지수가 그 산술평균보다 작거나 같으면 성장 보너스를 0으로 받는다. 다음 물음에 답하시오.

(1) 동아리가 받을 성장 보너스의 기댓값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (16점)

(2) 이번에는 동아리가 두 식물을 관찰한다고 하자. 두 식물의 현재 성장 지수는 모두 16이며, 각 식물의 성장 지수는 위와 같은 규칙에 따라 변한다. 또한 두 식물에서 일어나는 성장 지수의 변화도 서로 독립이다. 동아리는 3개월 뒤 각 식물의 성장 보너스를 계산한 후, 둘 중 더 큰 값을 최종 성장 보너스로 받는다. 이때 최종 성장 보너스의 기댓값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (17점)

해설강의 준비중
+4점 · 3개월 동안 가능한 8가지 변화 경우와 각 확률을 올바르게 정리함

(1) 성장 지수가 2배가 되는 경우를 U, 성장지수가 12\displaystyle \frac12배가 되는 경우를 D라고 하자.

+6점 · 각 경우의 1개월 후, 2개월 후, 3개월 후 성장 지수와 성장 보너스를 올바르게 계산함
경우확률1개월 후2개월 후3개월 후평균보너스
UUU1/83264128224/3160/3
UUD1/8326432128/30
UDU1/832163280/316/3
UDD1/83216856/30
DUU1/88163256/340/3
DUD1/8816832/30
DDU1/884820/34/3
DDD1/884214/30
+6점 · 성장 보너스의 기댓값을 올바르게 계산하여 답을 올바르게 구함

따라서 성장 보너스의 기댓값은18⋅1603+18⋅163+18⋅403+18⋅43=556\displaystyle \frac18\cdot\frac{160}3+\frac18\cdot\frac{16}3+\frac18\cdot\frac{40}3+\frac18\cdot\frac43=\frac{55}6

+5점 · 한 식물의 성장 보너스 값과 그 확률분포를 올바르게 정리함

(2) 문제 (1)에서 한 식물의 성장 보너스는 다음 값들을 가질 수 있다.성장 보너스확률04/84/31/816/31/840/31/8160/31/8\displaystyle \begin{array}{c|c}\text{성장 보너스}&\text{확률}\\\hline0&4/8\\4/3&1/8\\16/3&1/8\\40/3&1/8\\160/3&1/8\end{array}

+7점 · 두 식물이 독립임을 이용하여, 두 보너스 중 더 큰 값의 확률분포를 올바르게 구함

두 식물은 서로 독립적으로 자라므로, 두 식물의 성장 보너스도 서로 독립이다. 동아리는 두 식물의 성장 보너스 중 더 큰 값을 선택한다.먼저 한 식물의 성장 보너스가 어떤 값 이하일 확률을 구한다.P(보너스≤0)=4/8, P(보너스≤4/3)=5/8\displaystyle \mathrm P(\text{보너스}\le0)=4/8,\ \mathrm P(\text{보너스}\le4/3)=5/8P(보너스≤16/3)=6/8, P(보너스≤40/3)=7/8, P(보너스≤160/3)=1\displaystyle \mathrm P(\text{보너스}\le16/3)=6/8,\ \mathrm P(\text{보너스}\le40/3)=7/8,\ \mathrm P(\text{보너스}\le160/3)=1두 식물의 보너스가 모두 어떤 값 이하일 확률은, 두 식물의 성장지수 변화가 독립이므로 각각의 확률을 곱하면 된다.1. 최종 보너스가 0일 확률- 두 식물의 보너스가 모두 0이어야 하므로 (48)2=1664\displaystyle \left(\frac48\right)^2=\frac{16}{64}2. 최종 보너스가 4/3 일 확률- 두 보너스가 모두 4/3 이하이고, 둘 다 0 이하인 경우는 제외한다.(58)2−(48)2=964\displaystyle \left(\frac58\right)^2-\left(\frac48\right)^2=\frac9{64}3. 최종 보너스가 16/3일 확률 (68)2−(58)2=1164\displaystyle \left(\frac68\right)^2-\left(\frac58\right)^2=\frac{11}{64}4. 최종 보너스가 40/3일 확률 (78)2−(68)2=1364\displaystyle \left(\frac78\right)^2-\left(\frac68\right)^2=\frac{13}{64}5. 최종 보너스가 160/3일 확률 1−(78)2=1564\displaystyle 1-\left(\frac78\right)^2=\frac{15}{64}

+5점 · 최종 보너스의 기댓값을 올바르게 계산함

따라서 43⋅964+163⋅1164+403⋅1364+1603⋅1564=26116\displaystyle \frac43\cdot\frac9{64}+\frac{16}3\cdot\frac{11}{64}+\frac{40}3\cdot\frac{13}{64}+\frac{160}3\cdot\frac{15}{64}=\frac{261}{16}이다.

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