(가)점 (x1,y1)과 직선 ax+by+c=0 사이의 거리 d는d=a2+b2∣ax1+by1+c∣이다. (단, a,b,c는 상수이고, a2+b2=0이다.)
(나)a≤x≤b에서 정의된 함수 f(x)가 다음 세 가지 성질을 만족할 때, 함수 f(x)를 연속확률변수 X의 확률밀도함수라고 한다.(a)f(x)≥0(b)y=f(x)의 그래프와 x축 및 두 직선 x=a,x=b로 둘러싸인 부분의 넓이가 1이다.(c)P(α≤X≤β)는 y=f(x)의 그래프와 x축 및 두 직선 x=α,x=β로 둘러싸인 부분의 넓이와 같다. (단, a≤α≤β≤b)
(다)연속확률변수 X가 특정한 값을 가질 확률은 0이므로P(a≤X≤b)=P(a≤X<b)=P(a<X≤b)=P(a<X<b)가 성립한다.
(라)함수 f(x)가 닫힌구간 [a,b]에서 연속이면 최대·최소 정리에 의하여 이 구간에서 함수 f(x)는 최댓값과 최솟값을 가진다. 이때 이 구간에서 f(x)의 극댓값과 극솟값, f(a),f(b) 중에서 가장 큰 값이 최댓값이고, 가장 작은 값이 최솟값이다.
(마)두 사건 A와 B에 대하여 사건 A가 일어났을 때의 사건 B의 조건부확률은P(B∣A)=P(A)P(A∩B)이다. (단, P(A)>0)
(바)이산확률변수 X의 확률분포가 다음 표와 같을 때<table><thead><tr><th>X</th><th>x1</th><th>x2</th><th>⋯</th><th>xn</th><th>합계</th></tr></thead><tbody><tr><td>P(X=xi)</td><td>p1</td><td>p2</td><td>⋯</td><td>pn</td><td>1</td></tr></tbody></table>확률변수 X의 기댓값은E(X)=i=1∑nxipi이다.
[ 문항 ]
0≤k≤3인 실수 k에 대하여 연속확률변수 M이 갖는 값의 범위는 −4≤M≤4이고, M의 확률밀도함수 f(x)는f(x)={4(k+4)x+44(k−4)x−4(−4≤x≤k)(k<x≤4)이다. 직선 y=2Mx와 원 C:(x−2)2+(y−1)2=1이 서로 다른 두 점에서 만날 확률이 최대가 되도록 하는 k의 값은 c이다. k=c일 때 다음 물음에 답하시오.
【1-1】 직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만나기 위한 M의 값의 범위는 α<M<β이다. 3(β−α)의 값을 구하시오. (20점)
【1-2】 c=2임을 증명하시오. (40점)
【1-3】 직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만날 때, 만나는 두 점과 원 C의 중심이 한 직선 위에 있거나 만나는 두 점과 원 C의 중심을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 될 확률은 nm이다. m+n의 값을 구하시오.<br>(단, m,n은 서로소인 자연수) (30점)
【1-4】 함수g(x)=⎩⎨⎧0123(x≤0)(0<x≤1)(1<x≤2)(x>2)와 확률변수 M에 대하여, 부등식 y≥2g(M)x가 나타내는 영역과 부등식 (x−2)2+(y−1)2≤1이 나타내는 영역의 공통부분의 넓이를 확률변수 S라 할 때, E(S)의 값은 aπ+b이다. 192(a+b)의 값을 구하시오. (단, 두 영역의 공통부분이 없을 때 S=0이고, a와 b는 유리수이다.) (30점)
해설강의 준비중
경북대 2021학년도 수시 자연계열 I 1번 · mathesis.kr/archive/knu/2021su/jayeon1_1
【1-1】직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만나기 위해서는 직선 y=2Mx와 원 C의 중심 (2,1)과의 거리가 반지름의 길이 1보다 작아야 한다. 즉, 제시문 (가)에 의하여1+4M2∣1−M∣<1이고, 이 부등식을 풀면 0<M<38을 얻는다. 따라서 β−α의 값은 38이므로, 구하는 값은 8이다.
【1-2】직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만날 확률은P(0<M<38)=P(0≤M≤38)이다. 이 확률을 h(k)라 하면,h(k)={1−(4+k2+9(4−k)2)9(k+4)32(0≤k≤38)(38<k≤3)이다. 0<k<38에서 함수 h(k)의 도함수는h′(k)=9(k−4)2(k+4)216(k−2)(k−8)이므로, 닫힌구간 [0,38]에서 함수 h(k)는 k=2에서 극댓값을 갖는다. 또한 38<k≤3에서 함수 h(k)는 감소하므로, 함수 h(k)는 k=2에서 최댓값을 갖는다. 따라서 c=2이다.
참고h(k)를 구할 때, 구하는 부분의 넓이를 두 사다리꼴의 합으로 구하는 경우 함수 h(k)는h(k)={31+2(k+4)k+18(4−k)8−3k9(k+4)32(0≤k≤38)(38<k≤3)이다.
【1-3】직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만나는 사건을 A, 두 교점과 점 (2,1)이 한 직선 위에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 되는 사건을 B라 하자. 그러면 사건 A가 일어날 확률은 0<M<38일 확률이므로, P(A)=h(2)=95가 된다.위 세 점이 삼각형을 이루는 경우 이 삼각형은 두 변의 길이가 1인 이등변삼각형이다. 이때 직선 y=2Mx와 점 (2,1)과의 거리가 22일 때 직각삼각형이 되고, 직선 y=2Mx와 점(2,1)과의 거리가 22보다 작으면, 두 교점과 점 (2,1)이 한 직선에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형은 둔각삼각형이 된다. 즉,1+4M2∣1−M∣<22이고, 이 부등식을 풀면 72<M<2를 얻는다. 따라서P(A∩B)=P(72<M<2)=P(72≤M≤2)=4918이므로, 구하는 확률은 다음의 조건부확률P(B∣A)=P(A)P(A∩B)=245162가 된다. 따라서 m=162이고 n=245이므로 m+n=407이다.
참고직선 y=2Mx와 원 C가 두 점에서 만날 때, 두 교점을 (α,2Mα)와 (β,2Mβ)라 하자. 두 교점과 점 (2,1)이 한 직선 위에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 되기 위해서는 두 교점 사이의 거리가 2보다 커야 하므로(α−β)2+(2Mα−2Mβ)2=(4M2+1)(α−β)2>2가 성립한다. 여기서, α와 β는 연립방정식 y=2Mx와 (x−2)2+(y−1)2=1의 해가 되므로, α와 β는 이차방정식(x−2)2+(2Mx−1)2=1의 서로 다른 두 근이 된다. 이 식을 정리하면,(4M2+1)x2−(M+4)x+4=0이 되므로 α+β=4M2+1M+4이고 αβ=4M2+14가 된다. 따라서(4M2+1)(α−β)2=(4M2+1){(α+β)2−4αβ}=4M2+1(M+4)2−16>2이므로, 마지막 M에 대한 부등식을 풀면 72<M<2을 얻는다.
【1-4】함수 g(x)는 0,1,2,3의 값을 가지므로 넓이 S는 g(M)=0일 때 S=π, g(M)=1일 때 S=2π, g(M)=2일 때 S=4π−21, 그리고 g(M)=3일 때 S=0을 갖는다. 즉, 넓이 S는 0,4π−21,2π,π를 갖는 이산확률변수가 되며, 이때 각각의 확률은P(S=0)=P(g(M)=3)=P(M>2)=P(M≥2)=41P(S=4π−21)=P(g(M)=2)=P(1<M≤2)=P(1≤M≤2)=4811P(S=2π)=P(g(M)=1)=P(0<M≤1)=P(0≤M≤1)=489P(S=π)=P(g(M)=0)=P(M≤0)=31이 된다. 따라서 확률변수 S의 기댓값E(S)=0×41+(4π−21)×4811+2π×489+π×31=6431π−9611이므로 a=6431이고 b=−9611이다. 따라서 192(a+b)의 값은 71이다.
직선 y=2Mx와 원 C가 서로 다른 두 점에서 만나는 사건의 확률을 구하면 5점<br>1+4M2∣1−M∣<22을 유도하면 15점<br>P(A∩B)=P(72<M<2)=P(72≤M≤2)=4918을 구하면 25점<br>P(B∣A)=P(A)P(A∩B)=245162를 구하면 30점