수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 코사인법칙삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서a2=b2+c2−2bccos⁡Ab2=c2+a2−2cacos⁡Bc2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle \begin{aligned} a^{2} &= b^{2}+c^{2}-2bc\cos A \\ b^{2} &= c^{2}+a^{2}-2ca\cos B \\ c^{2} &= a^{2}+b^{2}-2ab\cos C \end{aligned}

2. 확률변수어떤 시행에서 표본공간 S\displaystyle S의 각 원소에 단 하나의 실수가 대응되는 함수를 확률변수라 하고,확률변수 X\displaystyle X가 어떤 값 x\displaystyle x를 가질 확률을 기호로 다음과 같이 나타낸다.P(X=x)\displaystyle P(X=x)

3. 정적분과 급수의 합 사이의 관계함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 다음이 성립한다.lim⁡n→∞∑k=1nf ⁣(a+k(b−a)n)b−an=∫abf(x)dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}f\!\left(a+\frac{k(b-a)}{n}\right)\frac{b-a}{n}=\int_{a}^{b}f(x)dx

[1] 이차방정식 x2−(a+1)x+2a+1=0\displaystyle x^{2}-(a+1)x+2a+1=0의 한 허근을 ω\displaystyle \omega라고 할 때, 물음에 답하시오. (단, a\displaystyle a는 실수)(1) 두 복소수 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta의 켤레복소수 α‾\displaystyle \overline{\alpha}, β‾\displaystyle \overline{\beta}에 대하여 αβ‾=α‾ β‾\displaystyle \overline{\alpha\beta}=\overline{\alpha}\,\overline{\beta}가 성립함을 보이시오. [6점](2) ω4−ω‾4=0\displaystyle \omega^{4}-\overline{\omega}^{4}=0을 만족하는 실수 a\displaystyle a의 값을 구하시오. [7점](3) ω2+ω‾2−2ωω‾>−8\displaystyle \omega^{2}+\overline{\omega}^{2}-2\omega\overline{\omega}>-8을 만족하는 실수 a\displaystyle a의 범위를 구하시오. [6점]

[2] 오른쪽 그림과 같이 반지름의 길이가 1\displaystyle 1인 원에 내접하는 정2n\displaystyle 2n각형 A1A2⋯A2n\displaystyle \mathrm{A}_{1}\mathrm{A}_{2}\cdots\mathrm{A}_{2n}에서 임의의 두 꼭짓점을 택하여 두 꼭짓점 사이의 거리의 제곱을 확률변수 Xn\displaystyle X_{n}이라 하자. 물음에 답하시오. (단, n≥2\displaystyle n\ge2인 자연수)

반지름 1인 원에 내접하는 정2n각형. 꼭짓점이 A₁부터 A₂, A₃, A₄ … Aₙ, Aₙ₊₁ … A₂ₙ까지 표시되어 있고, 중심에서 A₁까지의 길이 1이 적혀 있다.

(1) 확률변수 X3\displaystyle X_{3}의 확률분포를 표로 나타내고, 확률변수 X3\displaystyle X_{3}의 기댓값 E(X3)\displaystyle E(X_{3})을 구하시오. [7점](2) 확률변수 X4\displaystyle X_{4}의 기댓값 E(X4)\displaystyle E(X_{4})를 구하시오. [7점](3) 확률변수 Xn\displaystyle X_{n}의 기댓값 E(Xn)\displaystyle E(X_{n})을 구하시오. [9점](4) lim⁡n→∞E(Xn)\displaystyle \lim_{n\to\infty}E(X_{n})을 구하시오. [8점]

해설강의 준비중
+6점 · [1](1) α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta와 이들의 켤레복소수 α‾\displaystyle \overline{\alpha}, β‾\displaystyle \overline{\beta}를 문자를 사용하여 표현하였으면 2점 · αβ‾=α‾ β‾\displaystyle \overline{\alpha\beta}=\overline{\alpha}\,\overline{\beta}를 정확히 기술하였으면 4점

[1](1) α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta를 α=a+bi\displaystyle \alpha=a+bi, β=c+di\displaystyle \beta=c+di (a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d는 임의의 실수) 라 하면αβ=(ac−bd)+(ad+bc)i\displaystyle \alpha\beta=(ac-bd)+(ad+bc)i이므로αβ‾=(ac−bd)−(ad+bc)i⋯⋯ ①\displaystyle \overline{\alpha\beta}=(ac-bd)-(ad+bc)i \quad\cdots\cdots\ ①그리고 α‾=a−bi\displaystyle \overline{\alpha}=a-bi와 β‾=c−di\displaystyle \overline{\beta}=c-di의 곱은α‾ β‾=(a−bi)(c−di)=(ac−bd)−(ad+bc)i⋯⋯ ②\displaystyle \overline{\alpha}\,\overline{\beta}=(a-bi)(c-di)=(ac-bd)-(ad+bc)i \quad\cdots\cdots\ ②따라서 ①, ②로부터 αβ‾=α‾ β‾\displaystyle \overline{\alpha\beta}=\overline{\alpha}\,\overline{\beta}가 성립한다.

+7점 · [1](2) ω4−ω‾4=0\displaystyle \omega^{4}-\overline{\omega}^{4}=0을 인수분해하여 낮은 차원의 방정식을 얻었으면 2점 · 문제에서 주어진 방정식에 대한 근과 계수의 관계를 활용하였으면 2점 · a\displaystyle a의 조건을 확인하여 a\displaystyle a의 값을 정확히 구하였으면 3점

[1](2) 주어진 방정식이 허근을 가지므로,D=(a+1)2−4(2a+1)=a2−6a−3<0 ⇒ 3−23<a<3+23⋯⋯ ③\displaystyle D=(a+1)^{2}-4(2a+1)=a^{2}-6a-3<0 \ \Rightarrow\ 3-2\sqrt{3}<a<3+2\sqrt{3} \quad\cdots\cdots\ ③한편, 주어진 식은 다음과 같이 인수분해된다.0=ω4−ω‾4=(ω2−ω‾2)(ω2+ω‾2)=(ω−ω‾)(ω+ω‾)(ω2+ω‾2)\displaystyle 0=\omega^{4}-\overline{\omega}^{4}=(\omega^{2}-\overline{\omega}^{2})(\omega^{2}+\overline{\omega}^{2})=(\omega-\overline{\omega})(\omega+\overline{\omega})(\omega^{2}+\overline{\omega}^{2})( i ) ω−ω‾=0\displaystyle \omega-\overline{\omega}=0일 때 ω\displaystyle \omega는 실수가 되어 모순이다. 따라서 ω−ω‾≠0\displaystyle \omega-\overline{\omega}\ne0이다.( ii ) ω+ω‾=0\displaystyle \omega+\overline{\omega}=0일 때 ω+ω‾=a+1=0\displaystyle \omega+\overline{\omega}=a+1=0에서 a=−1\displaystyle a=-1이다. 그런데 −1<3−23\displaystyle -1<3-2\sqrt{3}이므로 ③에 어긋난다. 따라서 ω+ω‾≠0\displaystyle \omega+\overline{\omega}\ne0이다.( iii ) ω2+ω‾2=0\displaystyle \omega^{2}+\overline{\omega}^{2}=0일 때 0=(ω+ω‾)2−2ωω‾=(a+1)2−2(2a+1)=a2−2a−1\displaystyle 0=(\omega+\overline{\omega})^{2}-2\omega\overline{\omega}=(a+1)^{2}-2(2a+1)=a^{2}-2a-1이다.이로부터 a=1±2\displaystyle a=1\pm\sqrt{2}이다.그런데 1−2<3−23\displaystyle 1-\sqrt{2}<3-2\sqrt{3}이므로 ③에 어긋나고, 따라서 ω4−ω‾4=0\displaystyle \omega^{4}-\overline{\omega}^{4}=0을 만족하는 a=1+2\displaystyle a=1+\sqrt{2}이다.

Caution. 방정식을 풀 때는 주어진 범위에서 모든 해를 찾아야 한다: 방정식 a2−2a−1=0\displaystyle a^2-2a-1=0의 두 해 a=1±2\displaystyle a=1\pm\sqrt2는 모두 허용 범위 3−23<a<3+23\displaystyle 3-2\sqrt3<a<3+2\sqrt3에 속한다. 특히 1−2>3−23\displaystyle 1-\sqrt2>3-2\sqrt3이므로 작은 해를 제외해서는 안 된다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+6점 · [1](3) a\displaystyle a에 관한 부등식을 정확히 유도했으면 3점 · a\displaystyle a의 조건을 적용하여 a\displaystyle a의 범위를 정확히 구하였으면 3점

[1](3) ω2+ω‾2−2ωω‾=(ω+ω‾)2−4ωω‾=(a+1)2−4(2a+1)=a2−6a−3\displaystyle \omega^{2}+\overline{\omega}^{2}-2\omega\overline{\omega}=(\omega+\overline{\omega})^{2}-4\omega\overline{\omega}=(a+1)^{2}-4(2a+1)=a^{2}-6a-3이므로 주어진 부등식은 다음과 같다.a2−6a−3>−8 ⇒ a2−6a+5=(a−1)(a−5)>0 ⇒ a<1 또는 a>5\displaystyle a^{2}-6a-3>-8 \ \Rightarrow\ a^{2}-6a+5=(a-1)(a-5)>0 \ \Rightarrow\ a<1 \ \text{또는}\ a>5그러므로 ③에 의해 a\displaystyle a의 범위는 다음과 같다.3−23<a<1,5<a<3+23\displaystyle 3-2\sqrt{3}<a<1,\qquad 5<a<3+2\sqrt{3}

+7점 · [2](1) 확률변수를 구하였으면 2점 · 확률을 구하여 확률분포를 표로 나타내었으면 3점 · 기댓값을 정확히 구하였으면 2점

[2](1) 오른쪽 그림과 같이 두 꼭짓점 사이의 거리가 작은 것부터 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}, a3\displaystyle a_{3}로 나타내면 확률변수 X3\displaystyle X_{3}의 값은 다음과 같다.(a1)2=2 ⁣(1−cos⁡π3)=1,(a2)2=2 ⁣(1−cos⁡2π3)=3,(a3)2=22=4\displaystyle (a_{1})^{2}=2\!\left(1-\cos\frac{\pi}{3}\right)=1,\qquad (a_{2})^{2}=2\!\left(1-\cos\frac{2\pi}{3}\right)=3,\qquad (a_{3})^{2}=2^{2}=4

원에 내접하는 정육각형 A₁~A₆. A₁A₂의 길이가 a₁=1, A₁A₃가 a₂=√3, A₁A₄가 a₃=2로 표시되어 있다.

6\displaystyle 6개의 점으로부터 2\displaystyle 2개를 선택하는 방법의 가짓수는 6C2=15\displaystyle {}_{6}\mathrm{C}_{2}=15이다.그리고 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}가 나타나는 경우의 수가 각각 6\displaystyle 6이고, a3\displaystyle a_{3}이 나타나는 경우의 수가 3\displaystyle 3이므로P(X3=(a1)2)=P(X3=(a2)2)=615=25,P(X3=(a3)2)=315=15\displaystyle P(X_{3}=(a_{1})^{2})=P(X_{3}=(a_{2})^{2})=\frac{6}{15}=\frac{2}{5},\qquad P(X_{3}=(a_{3})^{2})=\frac{3}{15}=\frac{1}{5}따라서 확률변수 X3\displaystyle X_{3}의 확률분포를 표로 나타내면 다음과 같다.

X3\displaystyle X_{3}1\displaystyle 13\displaystyle 34\displaystyle 4합계
P(X3=(ai)2)\displaystyle P(X_{3}=(a_{i})^{2})25\displaystyle \frac{2}{5}25\displaystyle \frac{2}{5}15\displaystyle \frac{1}{5}1\displaystyle 1

이로부터 확률변수 X3\displaystyle X_{3}의 기댓값은 다음과 같다.E(X3)=1⋅25+3⋅25+4⋅15=125\displaystyle E(X_{3})=1\cdot\frac{2}{5}+3\cdot\frac{2}{5}+4\cdot\frac{1}{5}=\frac{12}{5}

+7점 · [2](2) 확률변수를 구하였으면 2점 · 각 확률을 구하였으면 2점 · 기댓값을 정확히 구하였으면 3점

[2](2) 오른쪽 그림과 같이 두 꼭짓점 사이의 거리가 작은 것부터 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}, a3\displaystyle a_{3}, a4\displaystyle a_{4}로 나타내자. 한 변이 이루는 중심각이 π4\displaystyle \frac{\pi}{4}이므로 코사인법칙으로부터(a1)2=1+1−2cos⁡π4=2 ⁣(1−22)=2−2,(a2)2=1+1−2cos⁡2π4=2(1−0)=2,(a3)2=1+1−2cos⁡3π4=2 ⁣(1+22)=2+2,(a4)2=1+1−2cos⁡4π4=2(1+1)=4\displaystyle \begin{aligned} (a_{1})^{2} &= 1+1-2\cos\frac{\pi}{4}=2\!\left(1-\frac{\sqrt{2}}{2}\right)=2-\sqrt{2}, \\ (a_{2})^{2} &= 1+1-2\cos\frac{2\pi}{4}=2(1-0)=2, \\ (a_{3})^{2} &= 1+1-2\cos\frac{3\pi}{4}=2\!\left(1+\frac{\sqrt{2}}{2}\right)=2+\sqrt{2}, \\ (a_{4})^{2} &= 1+1-2\cos\frac{4\pi}{4}=2(1+1)=4 \end{aligned}

원에 내접하는 정2n각형에서 한 꼭짓점으로부터 그은 선분들. 중심각 π/n이 표시되어 있고 거리가 작은 것부터 a₁, a₂, a₃ … aₙ₋₁, aₙ으로 이름 붙어 있다.

Correction. 대학 답안의 [2](2)와 [2](3)에 실린 그림은 서로 바뀌어 있다. [2](2)에는 정팔각형 그림이, [2](3)에는 정2n\displaystyle 2n각형 그림이 대응한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

8\displaystyle 8개의 점으로부터 2\displaystyle 2개를 선택하는 방법의 가짓수는 8C2=28\displaystyle {}_{8}\mathrm{C}_{2}=28이다. 그리고 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}, a3\displaystyle a_{3}은 각각 8\displaystyle 8번 얻을 수 있고, a4\displaystyle a_{4}는 4\displaystyle 4번 얻을 수 있으므로 확률변수 X4\displaystyle X_{4}의 확률분포는 다음과 같다.

X4X_42−22-\sqrt222+22+\sqrt24합계
P(X4=(ai)2)P(X_4=(a_i)^2)27\frac2727\frac2727\frac2717\frac171

이로부터 E(X4)\displaystyle E(X_{4})는 다음과 같다.E(X4)=[(2−2)+2+(2+2)]⋅27+4⋅17=167\displaystyle E(X_{4})=\left[(2-\sqrt{2})+2+(2+\sqrt{2})\right]\cdot\frac{2}{7}+4\cdot\frac{1}{7}=\frac{16}{7}

+9점 · [2](3) 확률변수를 구하였으면 3점 · 각 확률을 구하였으면 3점 · 기댓값을 수열의 합으로 정확히 표현하였으면 3점

[2](3) 오른쪽 그림과 같이 두 꼭짓점 사이의 거리가 작은 것부터 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}, ⋯\displaystyle \cdots, an\displaystyle a_{n}으로 나타내자. 한 변이 이루는 중심각이 πn\displaystyle \frac{\pi}{n}이므로 코사인법칙으로부터 다음을 얻는다.(ak)2=1+1−2cos⁡kπn=2 ⁣(1−cos⁡kπn)(k=1,2,⋯ ,n)\displaystyle (a_{k})^{2}=1+1-2\cos\frac{k\pi}{n}=2\!\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)\qquad(k=1,2,\cdots,n)

원에 내접하는 정팔각형 A₁~A₈. A₁에서 그은 선분들이 a₁, a₂, a₃, a₄로 이름 붙어 있고 중심각 π/4가 표시되어 있다.

2n\displaystyle 2n개의 점으로부터 2\displaystyle 2개를 선택하는 방법의 가짓수는 2nC2=n(2n−1)\displaystyle {}_{2n}\mathrm{C}_{2}=n(2n-1)이다. 그리고, a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}, ⋯\displaystyle \cdots, an−1\displaystyle a_{n-1}은 각각 2n\displaystyle 2n번 얻을 수 있고, an\displaystyle a_{n}은 n\displaystyle n번 얻을 수 있으므로 다음이 성립한다.P(Xn=(ak)2)={22n−1(k≠n)12n−1(k=n)\displaystyle P(X_{n}=(a_{k})^{2})=\begin{cases} \dfrac{2}{2n-1} & (k\ne n) \\[6pt] \dfrac{1}{2n-1} & (k=n) \end{cases}따라서 E(Xn)\displaystyle E(X_{n})은 다음과 같다.E(Xn)=∑k=1n−12 ⁣(1−cos⁡kπn)⋅22n−1+2 ⁣(1−cos⁡nπn)⋅12n−1=42n−1∑k=1n−1(1−cos⁡kπn)+42n−1\displaystyle \begin{aligned} E(X_{n}) &= \sum_{k=1}^{n-1}2\!\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)\cdot\frac{2}{2n-1}+2\!\left(1-\cos\frac{n\pi}{n}\right)\cdot\frac{1}{2n-1} \\ &= \frac{4}{2n-1}\sum_{k=1}^{n-1}\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)+\frac{4}{2n-1} \end{aligned}

+8점 · [2](4) 정적분으로 변형할 수 있도록 급수를 잘 변형하였으면 4점 · 적분을 정확히 계산하였으면 4점

[2](4) (3)에서 구한 E(Xn)\displaystyle E(X_{n})은 다음과 같이 나타낼 수 있다.E(Xn)=42n−1∑k=1n(1−cos⁡kπn)−42n−1=4nπ(2n−1)∑k=1n(1−cos⁡kπn)⋅πn−42n−1\displaystyle \begin{aligned} E(X_{n}) &= \frac{4}{2n-1}\sum_{k=1}^{n}\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)-\frac{4}{2n-1} \\ &= \frac{4n}{\pi(2n-1)}\sum_{k=1}^{n}\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)\cdot\frac{\pi}{n}-\frac{4}{2n-1} \end{aligned}따라서 다음을 얻는다.lim⁡n→∞E(Xn)=lim⁡n→∞{4nπ(2n−1)∑k=1n(1−cos⁡kπn)⋅πn−42n−1}={lim⁡n→∞4nπ(2n−1)}{lim⁡n→∞∑k=1n(1−cos⁡kπn)⋅πn}−lim⁡n→∞42n−1=2π∫0π(1−cos⁡x) dx=2π[x−sin⁡x]0π=2\displaystyle \begin{aligned} \lim_{n\to\infty}E(X_{n}) &= \lim_{n\to\infty}\left\{\frac{4n}{\pi(2n-1)}\sum_{k=1}^{n}\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)\cdot\frac{\pi}{n}-\frac{4}{2n-1}\right\} \\ &= \left\{\lim_{n\to\infty}\frac{4n}{\pi(2n-1)}\right\}\left\{\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}\left(1-\cos\frac{k\pi}{n}\right)\cdot\frac{\pi}{n}\right\}-\lim_{n\to\infty}\frac{4}{2n-1} \\ &= \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}(1-\cos x)\,dx \\ &= \frac{2}{\pi}\Biggl[x-\sin x\Biggr]_{0}^{\pi}=2 \end{aligned}

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