수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

【제시문 1】

정다면체는 볼록 다면체 중에서 모든 면이 합동인 정다각형으로 이루어져 있으며 각 꼭짓점에서 만나는 면의 개수가 같은 도형을 말한다. 정다면체는 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체 그리고 정이십면체의 5종류만 존재한다. N\displaystyle N개의 면을 가지는 정다면체의 각 면에 ○ 또는 ×를 표시한 후 이 정다면체를 던졌을 때, 각 면이 지면에 닿을 확률은 1N\displaystyle \frac{1}{N}로 동일하다. 따라서 N\displaystyle N개의 면 중 M\displaystyle M개의 면에 ○를 표시했다면 이 정다면체를 던져서 지면에 닿은 면이 ○일 확률은 MN\displaystyle \frac{M}{N}이 된다. 이 정다면체를 던지는 시행을 반복할 때, 매번 일어나는 시행의 결과는 서로 독립이고 그 확률은 동일하다고 가정한다. 참고로 지면에 닿은 면이 ○이면 이 시행의 결과가 ○가 나왔다고 표현한다.

【제시문 2】

【제시문 1】에서 제안된 정다면체를 주사위로 이용한 다음의 게임을 생각해 보자.

[게임 I]은 주사위를 던져서 ○가 연속으로 두 번 나오거나 ×가 연속으로 두 번 나오면 끝나는 게임이다. ○로 끝나면 이 게임에서 승리한 것이고 ×로 끝나면 이 게임에서 패배한 것으로 한다. 단, 이 게임은 반드시 두 번 이상 주사위를 던지는 것으로 한다.

[게임 II]는 A와 B 두 사람이 교대로 주사위를 던져서 먼저 ○가 나오는 사람이 승리하는 게임이다. 단, 이 게임은 ○가 나올 때까지 계속 주사위를 던지는 것으로 한다.

【제시문 3】

(1) 【제시문 2】에서 제안된 게임은 승부가 날 때까지 계속해서 시행된다. n\displaystyle n번 시행에서 승리할 확률을 pn\displaystyle p_n이라고 하자. 이렇게 얻어진 확률의 무한수열 {pn}\displaystyle \{p_n\}이 일정한 값 p\displaystyle p로 수렴하면 (lim⁡n→∞pn=p\displaystyle \lim_{n\to\infty}p_n=p), 이 수렴값 p\displaystyle p를 무한히 많은 시행에서 승리할 확률이라고 한다.

(2) 첫째항이 a\displaystyle a(a≠0\displaystyle a\ne0)이고 공비가 r\displaystyle r인 무한등비수열 {arn−1}\displaystyle \{ar^{n-1}\}의 각 항의 합으로 이루어진 무한등비급수∑n=1∞arn−1=a+ar+⋯+arn−1+⋯\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}ar^{n-1}=a+ar+\cdots+ar^{n-1}+\cdots는 ∣r∣<1\displaystyle |r|<1일 때 수렴하고 그 합은 a1−r\displaystyle \frac{a}{1-r}이다.

※ 모든 물음에서 풀이과정을 반드시 기술하시오.

【물음 1】1975년 경주 안압지에서 출토된 주령구는 통일신라시대 귀족들이 연회에서 굴리며 놀던 볼록 14면체 주사위인데 각 면에는 다양한 벌칙이 적혀있다. 【제시문 1】과 같이 이 주령구의 표면에 ○ 또는 ×를 표시한 후 【제시문 2】의 [게임 I]을 할 때, ○ 또는 ×를 표시한 위치에 따라 게임에서 승리할 확률이 달라질 수 있다. 그 이유를 간단히 설명하시오. (20점)

【물음 2】【제시문 1】과 같이 정이십면체의 20개 면 중 5개의 면에 ○를 표시하고 이것을 주사위로 사용하여 【제시문 2】의 [게임 I]을 할 때, 승리할 확률을【제시문 3】을 이용하여 구하시오. (40점)

【물음 3】【제시문 1】과 같이 정이십면체의 각 면에 ○ 또는 ×를 표시하여 【제시문 2】의 [게임 II]를 한다. 이 게임에서 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3배 이상이 되기 위해서는 정이십면체의 20개 면 중 최소 몇 개의 면에 ○를 표시해야 하는지 【제시문 3】을 이용하여 구하시오. 단, 이 게임에서는 A가 먼저 주사위를 던지는 것으로 시작하고, ○가 나올 때까지 게임은 계속된다. (40점)

해설강의 준비중
+20점

【물음 1】[제시문 1]에서 언급한 주령구는 14면체 주사위로 모든 면의 면적이 동일한 정다면체가 아니므로 각 면이 지면에 닿을 확률이 동일하지는 않다. 따라서 ○ 또는 ×를 표시한 면의 위치에 따라 게임에서 승리할 확률이 달라질 수 있다.

+40점

【물음 2】주사위를 던져서 ○가 나올 확률 을 p\displaystyle p라고 하고 할 때, p=520=14\displaystyle p=\frac{5}{20}=\frac{1}{4}이다. [제시문 2]에서 제시한 [게임 I]에서 게임에서 승리할 각 경우의 확률은2번째 시행에서 승리할 경우의 확률: p2\displaystyle p^23번째 시행에서 승리할 경우의 확률: (1−p)p2\displaystyle (1-p)p^24번째 시행에서 승리할 경우의 확률: p(1−p)p2\displaystyle p(1-p)p^25번째 시행에서 승리할 경우의 확률: (1−p)p(1−p)p2\displaystyle (1-p)p(1-p)p^2⋮\displaystyle \vdots2k\displaystyle 2k번째 시행에서 승리할 경우의 확률: [p(1−p)](k−1)p2\displaystyle [p(1-p)]^{(k-1)}p^2(2k+1)\displaystyle (2k+1)번째 시행에서 승리할 경우의 확률: (1−p)[p(1−p)](k−1)p2\displaystyle (1-p)[p(1-p)]^{(k-1)}p^2Correction. 홀수 번째 시행에서 승리할 확률을 전개한 식의 두 번째 항과 세 번째 항에서 [p(1−p)]\displaystyle [p(1-p)]의 지수는 각각 1\displaystyle 1, 2\displaystyle 2가 되어야 한다. 바로 다음 합 기호와 최종값 352\displaystyle \frac{3}{52}는 올바르다. 원문 표기는 그대로 실었다.⋮\displaystyle \vdots이 된다. 따라서 처음 시행에서 ○가 나왔을 때, 연속으로 ○가 두 번 나와 승리할 확률은 짝수번째 시행에서 승리할 확률의 무한합인p2+p(1−p)×p2+[p(1−p)]2×p2+⋯=∑k=1∞[p(1−p)]k−1p2=p21−p(1−p)=113(∵∣p(1−p)∣<1)\displaystyle p^2+p(1-p)\times p^2+[p(1-p)]^2\times p^2+\cdots=\sum_{k=1}^{\infty}[p(1-p)]^{k-1}p^2=\frac{p^2}{1-p(1-p)}=\frac{1}{13}\quad(\because|p(1-p)|<1)이고, 처음 시행에서 ×가 나왔을 때, 연속으로 ○가 두 번 나와 승리할 확률은 홀수번째 시행에서 승리할 확률의 무한합인(1−p)×p2+[p(1−p)]2×(1−p)p2+[p(1−p)]3×(1−p)p2+⋯=∑k=1∞(p(1−p))k−1(1−p)p2=(1−p)p21−p(1−p)=352(∵∣p(1−p)∣<1)\displaystyle \begin{aligned}(1-p)\times p^2+[p(1-p)]^2\times(1-p)p^2+[p(1-p)]^3\times(1-p)p^2+\cdots\\=\sum_{k=1}^{\infty}(p(1-p))^{k-1}(1-p)p^2=\frac{(1-p)p^2}{1-p(1-p)}=\frac{3}{52}\quad(\because|p(1-p)|<1)\end{aligned}이다. 따라서 [게임 I]에서 연속으로 ○가 나와서 승리할 확률은 113+352=752\displaystyle \frac{1}{13}+\frac{3}{52}=\frac{7}{52}이다.

+40점

【물음 3】주사위를 던져서 ○가 나올 확률 을 p\displaystyle p 또는 x20\displaystyle \frac{x}{20}라고 하고 할 때 (여기에서 x\displaystyle x는 정이십면체의 20개 면 중 ○가 표시된 면의 수), [제시문 2]에서 언급한 [게임 II]에서 A가 승리할 각 경우의 확률은A의 1번째 시도에서 ○가 나올 경우의 확률: p\displaystyle pA의 2번째 시도에서 처음 ○가 나올 경우의 확률: (1−p)2×p\displaystyle (1-p)^2\times p⋮\displaystyle \vdotsA의 n\displaystyle n번째 시도에서 처음 ○가 나올 경우의 확률: (1−p)2(n−1)×p\displaystyle (1-p)^{2(n-1)}\times p⋮\displaystyle \vdots이다. 따라서 [게임 II]에서 A가 승리할 확률은p+(1−p)2×p+(1−p)4×p+⋯=∑n=1∞(1−p)2(n−1)p=p1−(1−p)2\displaystyle p+(1-p)^2\times p+(1-p)^4\times p+\cdots=\sum_{n=1}^{\infty}(1-p)^{2(n-1)}p=\frac{p}{1-(1-p)^2}이고, 유사한 방법으로 [게임 II]에서 B가 승리할 확률은(1−p)p+(1−p)2×(1−p)p+(1−p)4×(1−p)p+⋯=∑n=1∞(1−p)2(n−1)(1−p)p=(1−p)p1−(1−p)2\displaystyle (1-p)p+(1-p)^2\times(1-p)p+(1-p)^4\times(1-p)p+\cdots=\sum_{n=1}^{\infty}(1-p)^{2(n-1)}(1-p)p=\frac{(1-p)p}{1-(1-p)^2}이다.

단, 위의 두 확률을 구하기 위해서는 무한등비급수의 초항과 공비에 관한 조건을 만족시켜야 하므로 0<p<1\displaystyle 0<p<1이 되어야 한다.(i) 0<p<1\displaystyle 0<p<1인 경우A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3배 이상이기 위해서 p1−(1−p)2≥3(1−p)p1−(1−p)2\displaystyle \frac{p}{1-(1-p)^2}\ge3\frac{(1-p)p}{1-(1-p)^2}이므로 23≤p<1\displaystyle \frac{2}{3}\le p<1이다. 따라서 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3배 이상이기 위해서 23≤p≤1\displaystyle \frac{2}{3}\le p\le1이어야 한다. 즉, 23≤m20<1\displaystyle \frac{2}{3}\le\frac{m}{20}<1는 13.33⋯≤m<20\displaystyle 13.33\cdots\le m<20이므로 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3 배 이상이기 위해서는 정이십면체 주사위의 20개의 면 중 14개 이상 그리고 19개 이하의 면에 ○를 표시하면 된다.

[다른 접근법][게임 II]가 무한히 계속될 확률은 lim⁡n→∞(1−p)n×(1−p)n=lim⁡n→∞(1−p)2n=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}(1-p)^n\times(1-p)^n=\lim_{n\to\infty}(1-p)^{2n}=0이므로 B가 승리할 사건이 A가 승리할 사건의 여사건이다. 따라서 즉, B가 승리할 확률은 1−p1−(1−p)2=(1−p)p1−(1−p)2\displaystyle 1-\frac{p}{1-(1-p)^2}=\frac{(1-p)p}{1-(1-p)^2}이다. 또는 [게임 II]가 무한히 계속될 확률이 0이므로 A가 승리할 확률이 34\displaystyle \frac{3}{4}이상이 되면 된다. 따라서 p1−(1−p)2≥34\displaystyle \frac{p}{1-(1-p)^2}\ge\frac{3}{4}이므로 23≤p<1\displaystyle \frac{2}{3}\le p<1이다. 위와 동일한 방법으로 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3 배 이상이기 위해서는 정이십면체 주사위의 20개의 면 중 14개 이상 그리고 19개 이하의 면에 ○를 표시하면 된다.

(ii) p=0\displaystyle p=0인 경우, A가 승리할 확률과 B가 승리할 확률이 각각 0이므로 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3 배 이상이다.

(iii) p=1\displaystyle p=1p=1\displaystyle p=1인 경우, A가 승리할 확률은 1이고 B가 승리할 확률은 0이므로 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3 배 이상이다.

정답 : 정이십면체 주사위의 20개의 면 중 0개 또는 14개 이상의 면에 ○를 표시하면 된다. 그리고 필요한 최소 면의 개수는 0이다.

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