수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

[ 제시문 ]

(가) 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)과 직선 ax+by+c=0\displaystyle ax+by+c=0 사이의 거리 d\displaystyle d는d=∣ax1+by1+c∣a2+b2\displaystyle d=\frac{|ax_1+by_1+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}이다. (단, a,b,c\displaystyle a,b,c는 상수이고, a2+b2≠0\displaystyle a^2+b^2\ne0이다.)

(나) a≤x≤b\displaystyle a\le x\le b에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 세 가지 성질을 만족할 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수라고 한다.(a) f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0(b) y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a,x=b\displaystyle x=a,x=b로 둘러싸인 부분의 넓이가 1이다.(c) P(α≤X≤β)\displaystyle \mathrm P(\alpha\le X\le\beta)는 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=α,x=β\displaystyle x=\alpha,x=\beta로 둘러싸인 부분의 넓이와 같다. (단, a≤α≤β≤b\displaystyle a\le\alpha\le\beta\le b)

(다) 연속확률변수 X\displaystyle X가 특정한 값을 가질 확률은 0이므로P(a≤X≤b)=P(a≤X<b)=P(a<X≤b)=P(a<X<b)\displaystyle \begin{aligned}\mathrm P(a\le X\le b)&=\mathrm P(a\le X<b)\\&=\mathrm P(a<X\le b)=\mathrm P(a<X<b)\end{aligned}가 성립한다.

(라) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이면 최대·최소 정리에 의하여 이 구간에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 최댓값과 최솟값을 가진다. 이때 이 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)의 극댓값과 극솟값, f(a),f(b)\displaystyle f(a),f(b) 중에서 가장 큰 값이 최댓값이고, 가장 작은 값이 최솟값이다.

(마) 두 사건 A\displaystyle A와 B\displaystyle B에 대하여 사건 A\displaystyle A가 일어났을 때의 사건 B\displaystyle B의 조건부확률은P(B∣A)=P(A∩B)P(A)\displaystyle \mathrm P(B\mid A)=\frac{\mathrm P(A\cap B)}{\mathrm P(A)}이다. (단, P(A)>0\displaystyle \mathrm P(A)>0)

(바) 이산확률변수 X\displaystyle X의 확률분포가 다음 표와 같을 때<table><thead><tr><th>X\displaystyle X</th><th>x1\displaystyle x_1</th><th>x2\displaystyle x_2</th><th>⋯\displaystyle \cdots</th><th>xn\displaystyle x_n</th><th>합계</th></tr></thead><tbody><tr><td>P(X=xi)\displaystyle \mathrm P(X=x_i)</td><td>p1\displaystyle p_1</td><td>p2\displaystyle p_2</td><td>⋯\displaystyle \cdots</td><td>pn\displaystyle p_n</td><td>1</td></tr></tbody></table>확률변수 X\displaystyle X의 기댓값은E(X)=∑i=1nxipi\displaystyle \mathrm E(X)=\sum_{i=1}^nx_ip_i이다.

[ 문항 ]

0≤k≤3\displaystyle 0\le k\le3인 실수 k\displaystyle k에 대하여 연속확률변수 M\displaystyle M이 갖는 값의 범위는 −4≤M≤4\displaystyle -4\le M\le4이고, M\displaystyle M의 확률밀도함수 f(x)\displaystyle f(x)는f(x)={x+44(k+4)(−4≤x≤k)x−44(k−4)(k<x≤4)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\frac{x+4}{4(k+4)}&(-4\le x\le k)\\\frac{x-4}{4(k-4)}&(k<x\le4)\end{cases}이다. 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C:(x−2)2+(y−1)2=1\displaystyle C:(x-2)^2+(y-1)^2=1이 서로 다른 두 점에서 만날 확률이 최대가 되도록 하는 k\displaystyle k의 값은 c\displaystyle c이다. k=c\displaystyle k=c일 때 다음 물음에 답하시오.

【1-1】 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만나기 위한 M\displaystyle M의 값의 범위는 α<M<β\displaystyle \alpha<M<\beta이다. 3(β−α)\displaystyle 3(\beta-\alpha)의 값을 구하시오. (20점)

【1-2】 c=2\displaystyle c=2임을 증명하시오. (40점)

【1-3】 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만날 때, 만나는 두 점과 원 C\displaystyle C의 중심이 한 직선 위에 있거나 만나는 두 점과 원 C\displaystyle C의 중심을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 될 확률은 mn\displaystyle \frac mn이다. m+n\displaystyle m+n의 값을 구하시오.<br>(단, m,n\displaystyle m,n은 서로소인 자연수) (30점)

【1-4】 함수g(x)={0(x≤0)1(0<x≤1)2(1<x≤2)3(x>2)\displaystyle g(x)=\begin{cases}0&(x\le0)\\1&(0<x\le1)\\2&(1<x\le2)\\3&(x>2)\end{cases}와 확률변수 M\displaystyle M에 대하여, 부등식 y≥g(M)2x\displaystyle y\ge\frac{g(M)}2x가 나타내는 영역과 부등식 (x−2)2+(y−1)2≤1\displaystyle (x-2)^2+(y-1)^2\le1이 나타내는 영역의 공통부분의 넓이를 확률변수 S\displaystyle S라 할 때, E(S)\displaystyle \mathrm E(S)의 값은 aπ+b\displaystyle a\pi+b이다. 192(a+b)\displaystyle 192(a+b)의 값을 구하시오. (단, 두 영역의 공통부분이 없을 때 S=0\displaystyle S=0이고, a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 유리수이다.) (30점)

해설강의 준비중

【1-1】직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만나기 위해서는 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C의 중심 (2,1)\displaystyle (2,1)과의 거리가 반지름의 길이 1보다 작아야 한다. 즉, 제시문 (가)에 의하여∣1−M∣1+M24<1\displaystyle \frac{|1-M|}{\sqrt{1+\frac{M^2}4}}<1이고, 이 부등식을 풀면 0<M<83\displaystyle 0<M<\frac83을 얻는다. 따라서 β−α\displaystyle \beta-\alpha의 값은 83\displaystyle \frac83이므로, 구하는 값은 8이다.

【1-2】직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만날 확률은P(0<M<83)=P(0≤M≤83)\displaystyle \mathrm P\left(0<M<\frac83\right)=\mathrm P\left(0\le M\le\frac83\right)이다. 이 확률을 h(k)\displaystyle h(k)라 하면,h(k)={1−(24+k+29(4−k))(0≤k≤83)329(k+4)(83<k≤3)\displaystyle h(k)=\begin{cases}1-\left(\frac2{4+k}+\frac2{9(4-k)}\right)&\left(0\le k\le\frac83\right)\\\frac{32}{9(k+4)}&\left(\frac83<k\le3\right)\end{cases}이다. 0<k<83\displaystyle 0<k<\frac83에서 함수 h(k)\displaystyle h(k)의 도함수는h′(k)=16(k−2)(k−8)9(k−4)2(k+4)2\displaystyle h^{\prime}(k)=\frac{16(k-2)(k-8)}{9(k-4)^2(k+4)^2}이므로, 닫힌구간 [0,83]\displaystyle \left[0,\frac83\right]에서 함수 h(k)\displaystyle h(k)는 k=2\displaystyle k=2에서 극댓값을 갖는다. 또한 83<k≤3\displaystyle \frac83<k\le3에서 함수 h(k)\displaystyle h(k)는 감소하므로, 함수 h(k)\displaystyle h(k)는 k=2\displaystyle k=2에서 최댓값을 갖는다. 따라서 c=2\displaystyle c=2이다.

참고h(k)\displaystyle h(k)를 구할 때, 구하는 부분의 넓이를 두 사다리꼴의 합으로 구하는 경우 함수 h(k)\displaystyle h(k)는h(k)={13+k2(k+4)+8−3k18(4−k)(0≤k≤83)329(k+4)(83<k≤3)\displaystyle h(k)=\begin{cases}\frac13+\frac{k}{2(k+4)}+\frac{8-3k}{18(4-k)}&\left(0\le k\le\frac83\right)\\\frac{32}{9(k+4)}&\left(\frac83<k\le3\right)\end{cases}이다.

【1-3】직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만나는 사건을 A\displaystyle A, 두 교점과 점 (2,1)\displaystyle (2,1)이 한 직선 위에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 되는 사건을 B\displaystyle B라 하자. 그러면 사건 A\displaystyle A가 일어날 확률은 0<M<83\displaystyle 0<M<\frac83일 확률이므로, P(A)=h(2)=59\displaystyle \mathrm P(A)=h(2)=\frac59가 된다.위 세 점이 삼각형을 이루는 경우 이 삼각형은 두 변의 길이가 1인 이등변삼각형이다. 이때 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 점 (2,1)\displaystyle (2,1)과의 거리가 22\displaystyle \frac{\sqrt2}2일 때 직각삼각형이 되고, 직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 점(2,1)\displaystyle (2,1)과의 거리가 22\displaystyle \frac{\sqrt2}2보다 작으면, 두 교점과 점 (2,1)\displaystyle (2,1)이 한 직선에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형은 둔각삼각형이 된다. 즉,∣1−M∣1+M24<22\displaystyle \frac{|1-M|}{\sqrt{1+\frac{M^2}4}}<\frac{\sqrt2}2이고, 이 부등식을 풀면 27<M<2\displaystyle \frac27<M<2를 얻는다. 따라서P(A∩B)=P(27<M<2)=P(27≤M≤2)=1849\displaystyle \mathrm P(A\cap B)=\mathrm P\left(\frac27<M<2\right)=\mathrm P\left(\frac27\le M\le2\right)=\frac{18}{49}이므로, 구하는 확률은 다음의 조건부확률P(B∣A)=P(A∩B)P(A)=162245\displaystyle \mathrm P(B|A)=\frac{\mathrm P(A\cap B)}{\mathrm P(A)}=\frac{162}{245}가 된다. 따라서 m=162\displaystyle m=162이고 n=245\displaystyle n=245이므로 m+n=407\displaystyle m+n=407이다.

참고직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 두 점에서 만날 때, 두 교점을 (α,M2α)\displaystyle \left(\alpha,\frac M2\alpha\right)와 (β,M2β)\displaystyle \left(\beta,\frac M2\beta\right)라 하자. 두 교점과 점 (2,1)\displaystyle (2,1)이 한 직선 위에 있거나 이 세 점을 꼭짓점으로 하는 삼각형이 둔각삼각형이 되기 위해서는 두 교점 사이의 거리가 2\displaystyle \sqrt2보다 커야 하므로(α−β)2+(M2α−M2β)2=(M24+1)(α−β)2>2\displaystyle (\alpha-\beta)^2+\left(\frac M2\alpha-\frac M2\beta\right)^2=\left(\frac{M^2}4+1\right)(\alpha-\beta)^2>2가 성립한다. 여기서, α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta는 연립방정식 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 (x−2)2+(y−1)2=1\displaystyle (x-2)^2+(y-1)^2=1의 해가 되므로, α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta는 이차방정식(x−2)2+(M2x−1)2=1\displaystyle (x-2)^2+\left(\frac M2x-1\right)^2=1의 서로 다른 두 근이 된다. 이 식을 정리하면,(M24+1)x2−(M+4)x+4=0\displaystyle \left(\frac{M^2}4+1\right)x^2-(M+4)x+4=0이 되므로 α+β=M+4M24+1\displaystyle \alpha+\beta=\frac{M+4}{\frac{M^2}4+1}이고 αβ=4M24+1\displaystyle \alpha\beta=\frac4{\frac{M^2}4+1}가 된다. 따라서(M24+1)(α−β)2=(M24+1){(α+β)2−4αβ}=(M+4)2M24+1−16>2\displaystyle \left(\frac{M^2}4+1\right)(\alpha-\beta)^2=\left(\frac{M^2}4+1\right)\{(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta\}=\frac{(M+4)^2}{\frac{M^2}4+1}-16>2이므로, 마지막 M\displaystyle M에 대한 부등식을 풀면 27<M<2\displaystyle \frac27<M<2을 얻는다.

【1-4】함수 g(x)\displaystyle g(x)는 0,1,2,3의 값을 가지므로 넓이 S\displaystyle S는 g(M)=0\displaystyle g(M)=0일 때 S=π\displaystyle S=\pi, g(M)=1\displaystyle g(M)=1일 때 S=π2\displaystyle S=\frac\pi2, g(M)=2\displaystyle g(M)=2일 때 S=π4−12\displaystyle S=\frac\pi4-\frac12, 그리고 g(M)=3\displaystyle g(M)=3일 때 S=0\displaystyle S=0을 갖는다. 즉, 넓이 S\displaystyle S는 0,π4−12,π2,π\displaystyle 0,\frac\pi4-\frac12,\frac\pi2,\pi를 갖는 이산확률변수가 되며, 이때 각각의 확률은P(S=0)=P(g(M)=3)=P(M>2)=P(M≥2)=14\displaystyle \mathrm P(S=0)=\mathrm P(g(M)=3)=\mathrm P(M>2)=\mathrm P(M\ge2)=\frac14P(S=π4−12)=P(g(M)=2)=P(1<M≤2)=P(1≤M≤2)=1148\displaystyle \mathrm P\left(S=\frac\pi4-\frac12\right)=\mathrm P(g(M)=2)=\mathrm P(1<M\le2)=\mathrm P(1\le M\le2)=\frac{11}{48}P(S=π2)=P(g(M)=1)=P(0<M≤1)=P(0≤M≤1)=948\displaystyle \mathrm P\left(S=\frac\pi2\right)=\mathrm P(g(M)=1)=\mathrm P(0<M\le1)=\mathrm P(0\le M\le1)=\frac9{48}P(S=π)=P(g(M)=0)=P(M≤0)=13\displaystyle \mathrm P(S=\pi)=\mathrm P(g(M)=0)=\mathrm P(M\le0)=\frac13이 된다. 따라서 확률변수 S\displaystyle S의 기댓값E(S)=0×14+(π4−12)×1148+π2×948+π×13=3164π−1196\displaystyle \mathrm E(S)=0\times\frac14+\left(\frac\pi4-\frac12\right)\times\frac{11}{48}+\frac\pi2\times\frac9{48}+\pi\times\frac13=\frac{31}{64}\pi-\frac{11}{96}이므로 a=3164\displaystyle a=\frac{31}{64}이고 b=−1196\displaystyle b=-\frac{11}{96}이다. 따라서 192(a+b)\displaystyle 192(a+b)의 값은 71이다.

하위 문항채점 기준배점
【1-1】∣1−M∣1+M24<1\displaystyle \frac{|1-M|}{\sqrt{1+\frac{M^2}4}}<1를 유도하면 10점<br>0<M<83\displaystyle 0<M<\frac83를 구하면 20점20
【1-2】h(k)={1−(24+k+29(4−k))(0≤k≤83)329(k+4)(83<k≤3)\displaystyle h(k)=\begin{cases}1-\left(\frac2{4+k}+\frac2{9(4-k)}\right)&\left(0\le k\le\frac83\right)\\\frac{32}{9(k+4)}&\left(\frac83<k\le3\right)\end{cases}를 구하면 20점<br>(또는 h(k)={13+k2(k+4)+8−3k18(4−k)(0≤k≤83)329(k+4)(83<k≤3)\displaystyle h(k)=\begin{cases}\frac13+\frac{k}{2(k+4)}+\frac{8-3k}{18(4-k)}&\left(0\le k\le\frac83\right)\\\frac{32}{9(k+4)}&\left(\frac83<k\le3\right)\end{cases})<br>h′(k)=16(k−2)(k−8)9(k−4)2(k+4)2\displaystyle h^{\prime}(k)=\frac{16(k-2)(k-8)}{9(k-4)^2(k+4)^2}를 유도하면 30점<br>그래프의 개형을 이용하여 c=2\displaystyle c=2임을 보이면 40점40
【1-3】직선 y=M2x\displaystyle y=\frac M2x와 원 C\displaystyle C가 서로 다른 두 점에서 만나는 사건의 확률을 구하면 5점<br>∣1−M∣1+M24<22\displaystyle \frac{|1-M|}{\sqrt{1+\frac{M^2}4}}<\frac{\sqrt2}2을 유도하면 15점<br>P(A∩B)=P(27<M<2)=P(27≤M≤2)=1849\displaystyle \mathrm P(A\cap B)=\mathrm P\left(\frac27<M<2\right)=\mathrm P\left(\frac27\le M\le2\right)=\frac{18}{49}을 구하면 25점<br>P(B∣A)=P(A∩B)P(A)=162245\displaystyle \mathrm P(B|A)=\frac{\mathrm P(A\cap B)}{\mathrm P(A)}=\frac{162}{245}를 구하면 30점30
【1-4】S\displaystyle S는 0,π4−12,π2,π\displaystyle 0,\frac\pi4-\frac12,\frac\pi2,\pi를 갖는 이산확률변수가 됨을 보이면 15점<br>P(S=0)=P(g(M)=3)=P(M>2)=P(M≥2)=14\displaystyle \mathrm P(S=0)=\mathrm P(g(M)=3)=\mathrm P(M>2)=\mathrm P(M\ge2)=\frac14<br>P(S=π4−12)=P(g(M)=2)=P(1<M≤2)=P(1≤M≤2)=1148\displaystyle \mathrm P\left(S=\frac\pi4-\frac12\right)=\mathrm P(g(M)=2)=\mathrm P(1<M\le2)=\mathrm P(1\le M\le2)=\frac{11}{48}<br>P(S=π2)=P(g(M)=1)=P(0<M≤1)=P(0≤M≤1)=948\displaystyle \mathrm P\left(S=\frac\pi2\right)=\mathrm P(g(M)=1)=\mathrm P(0<M\le1)=\mathrm P(0\le M\le1)=\frac9{48}<br>P(S=π)=P(g(M)=0)=P(M≤0)=13\displaystyle \mathrm P(S=\pi)=\mathrm P(g(M)=0)=\mathrm P(M\le0)=\frac13<br>임을 보이면 25점<br>E(S)=0×14+(π4−12)×1148+π2×948+π×13=3164π−1196\displaystyle \mathrm E(S)=0\times\frac14+\left(\frac\pi4-\frac12\right)\times\frac{11}{48}+\frac\pi2\times\frac9{48}+\pi\times\frac13=\frac{31}{64}\pi-\frac{11}{96}을 구하면 30점30

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