경북대 2015학년도 수시 자연계열 I 1번 · mathesis.kr/archive/knu/2015su/jayeon1_1
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. 개의 면을 가지는 정다면체의 각 면에 ○ 또는 ×를 표시한 후 이 정다면체를 던졌을 때, 각 면이 지면에 닿을 확률은 로 동일하다. 따라서 개의 면 중 개의 면에 ○를 표시했다면 이 정다면체를 던져서 지면에 닿은 면이 ○일 확률은 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. 번 시행에서 승리할 확률을 이라고 하자. 이렇게 얻어진 확률의 무한수열 이 일정한 값 로 수렴하면 (), 이 수렴값 를 무한히 많은 시행에서 승리할 확률이라고 한다.
(2) 첫째항이 ()이고 공비가 인 무한등비수열 의 각 항의 합으로 이루어진 무한등비급수는 일 때 수렴하고 그 합은 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)
경북대 2015학년도 수시 자연계열 I 1번 · mathesis.kr/archive/knu/2015su/jayeon1_1
【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.
【물음 2】주사위를 던져서 ○가 나올 확률 을 라고 하고 할 때, 이다. [제시문 2]에서 제시한 [게임 I]에서 게임에서 승리할 각 경우의 확률은2번째 시행에서 승리할 경우의 확률: 3번째 시행에서 승리할 경우의 확률: 4번째 시행에서 승리할 경우의 확률: 5번째 시행에서 승리할 경우의 확률: 번째 시행에서 승리할 경우의 확률: 번째 시행에서 승리할 경우의 확률: Correction. 홀수 번째 시행에서 승리할 확률을 전개한 식의 두 번째 항과 세 번째 항에서 의 지수는 각각 , 가 되어야 한다. 바로 다음 합 기호와 최종값 는 올바르다. 원문 표기는 그대로 실었다.이 된다. 따라서 처음 시행에서 ○가 나왔을 때, 연속으로 ○가 두 번 나와 승리할 확률은 짝수번째 시행에서 승리할 확률의 무한합인이고, 처음 시행에서 ×가 나왔을 때, 연속으로 ○가 두 번 나와 승리할 확률은 홀수번째 시행에서 승리할 확률의 무한합인이다. 따라서 [게임 I]에서 연속으로 ○가 나와서 승리할 확률은 이다.
【물음 3】주사위를 던져서 ○가 나올 확률 을 또는 라고 하고 할 때 (여기에서 는 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: A의 2번째 시도에서 처음 ○가 나올 경우의 확률: A의 번째 시도에서 처음 ○가 나올 경우의 확률: 이다. 따라서 [게임 II]에서 A가 승리할 확률은이고, 유사한 방법으로 [게임 II]에서 B가 승리할 확률은이다.
단, 위의 두 확률을 구하기 위해서는 무한등비급수의 초항과 공비에 관한 조건을 만족시켜야 하므로 이 되어야 한다.(i) 인 경우A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3배 이상이기 위해서 이므로 이다. 따라서 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3배 이상이기 위해서 이어야 한다. 즉, 는 이므로 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 이므로 B가 승리할 사건이 A가 승리할 사건의 여사건이다. 따라서 즉, B가 승리할 확률은 이다. 또는 [게임 II]가 무한히 계속될 확률이 0이므로 A가 승리할 확률이 이상이 되면 된다. 따라서 이므로 이다. 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) 인 경우, A가 승리할 확률과 B가 승리할 확률이 각각 0이므로 A가 승리할 확률이 B가 승리할 확률의 3 배 이상이다.
(iii) 인 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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