수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+2점 · 일대일함수 개수 5P3=5×4×3=60\displaystyle { }_{5} \mathrm P_{3}=5 \times 4 \times 3=60을 구했으면

[1]

집합 X={1, 2, 3}\displaystyle X= \left\{1,~2,~3 \right\}에서 집합 Y={3, 4, 5, 6, 7}\displaystyle Y= \left\{3,~4,~5,~6,~7 \right\}로의 함수 중

일대일함수는 집합 Y\displaystyle Y에서 3\displaystyle 3개를 뽑아 일렬로 나열하는 경우 5P3=5×4×3=60\displaystyle { }_{5} \mathrm P_{3}=5 \times 4 \times 3=60

+4점 · 조건 (가)와 (나)를 만족하는 경우의 수 (3, 5, 7), (3, 4, 6), (4, 5, 6), (4, 6, 7)\displaystyle (3,~5,~7),~(3,~4,~6),~(4,~5,~6),~(4,~6,~7)를 모두 구했으면

조건 (가)를 만족하는 함수는 집합 Y\displaystyle Y에서 3\displaystyle 3개를 뽑아 크기순으로 하나씩 대응하는 경우

5C3=5C2=5×42×1=10\displaystyle { }_{5} \mathrm C_{3}={ }_{5} \mathrm C_{2}=\frac{5 \times 4}{2 \times 1}=10

이 중 조건 (나)를 만족하려면 치역의 원소가 모두 홀수이거나 하나만 홀수이어야 한다.

(i\displaystyle \mathrm{i}) 모두 홀수인 경우 : (3, 5, 7)\displaystyle (3,~5,~7)

(ii\displaystyle \mathrm{ii}) 3\displaystyle 3만 선택된 경우 : (3, 4, 6)\displaystyle (3,~4,~6)

(iii\displaystyle \mathrm{iii}) 5\displaystyle 5만 선택된 경우 : (4, 5, 6)\displaystyle (4,~5,~6)

(iv\displaystyle \mathrm{iv}) 7\displaystyle 7만 선택된 경우 : (4, 6, 7)\displaystyle (4,~6,~7)

+2점 · 조건을 만족하는 확률 460=115\displaystyle \frac{4}{60}=\frac{1}{15}을 구했으면

따라서 조건을 만족하는 함수 f\displaystyle f의 확률 : 460=115\displaystyle \frac{4}{60}=\frac{1}{15}

+4점 · f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값 m(θ)=cos2θ+2cosθ1\displaystyle m(\theta )= \cos ^{2} \theta +2 \cos \theta -1을 구했으면

[2] (1)

f(x)=x2+2xsinθ+sin2θsin2θ+2cosθ=(x+sinθ)2sin2θ+2cosθ\displaystyle f(x)=x^{2}+2 x \sin \theta + \sin ^{2} \theta - \sin ^{2} \theta +2 \cos \theta =(x+ \sin \theta )^{2}- \sin ^{2} \theta +2 \cos \theta

 =(x+sinθ)2(1cos2θ)+2cosθ=(x+sinθ)2+cos2θ+2cosθ1\displaystyle ~=(x+ \sin \theta )^{2}- \left (1- \cos ^{2} \theta \right )+2 \cos \theta =(x+ \sin \theta )^{2}+ \cos ^{2} \theta +2 \cos \theta -1

x=sinθ\displaystyle x=- \sin \theta에서 최솟값 m(θ)=f(sinθ)=cos2θ+2cosθ1=(cosθ+1)22\displaystyle m(\theta )=f(- \sin \theta )= \cos ^{2} \theta +2 \cos \theta -1=( \cos \theta +1)^{2}-2

+4점 · m(θ)=(cosθ+1)22\displaystyle m(\theta )=( \cos \theta +1)^{2}-2의 최댓값 2\displaystyle 2를 구했으면

0θπ\displaystyle 0 \le \theta \le \pi에서 1cosθ1\displaystyle -1 \le \cos \theta \le 1이므로 0cosθ+12\displaystyle 0 \le \cos \theta +1 \le 2이고 0(cosθ+1)24\displaystyle 0 \le ( \cos \theta +1)^{2} \le 4

따라서 m(θ)=(cosθ+1)22\displaystyle m(\theta )=( \cos \theta +1)^{2}-2의 최댓값은 2\displaystyle 2

+4점 · 판별식 D/4=sin2θ2cosθ0\displaystyle D / 4= \sin ^{2} \theta -2 \cos \theta \ge 0에서 12cosθ1+2\displaystyle -1-\sqrt {2} \le \cos \theta \le -1+\sqrt {2}를 구했으면

(2)

판별식 D/4=sin2θ2cosθ=1cos2θ2cosθ0\displaystyle D / 4= \sin ^{2} \theta -2 \cos \theta =1- \cos ^{2} \theta -2 \cos \theta \ge 0

cos2θ+2cosθ10\displaystyle \cos ^{2} \theta +2 \cos \theta -1 \le 0에서 12cosθ1+2\displaystyle -1-\sqrt {2} \le \cos \theta \le -1+\sqrt {2}이고

+4점 · 조건 0θπ\displaystyle 0 \le \theta \le \pi에서 1cosθ1+2\displaystyle -1 \le \cos \theta \le -1+\sqrt {2}이고 cosα=1+2, cosβ=1\displaystyle \cos \alpha =-1+\sqrt {2},~ \cos \beta =-1를 구했으면

0θπ\displaystyle 0 \le \theta \le \pi에서 1cosθ1\displaystyle -1 \le \cos \theta \le 1이므로 1cosθ1+2\displaystyle -1 \le \cos \theta \le -1+\sqrt {2}

코사인 함수는 0θπ\displaystyle 0 \le \theta \le \pi에서 감소함수이므로 α\displaystyle \alpha에서 최댓값, β\displaystyle \beta에서 최솟값을 가진다.

αθβ\displaystyle \alpha \le \theta \le \beta이므로 cosα=1+2, cosβ=1\displaystyle \cos \alpha =-1+\sqrt {2},~ \cos \beta =-1

+2점 · sin2α+sin2β=222\displaystyle \sin ^{2} \alpha + \sin ^{2} \beta =2 \sqrt {2}-2을 구했으면

cosα=1+2\displaystyle \cos \alpha =-1+\sqrt {2}에서 sin2α=1cos2α=222\displaystyle \sin ^{2} \alpha =1- \cos ^{2} \alpha =2 \sqrt {2}-2

cosβ=1\displaystyle \cos \beta =-1에서 sin2β=1cos2β=0\displaystyle \sin ^{2} \beta =1- \cos ^{2} \beta =0

따라서 sin2α+sin2β=222\displaystyle \sin ^{2} \alpha + \sin ^{2} \beta =2 \sqrt {2}-2

+4점 · 주사위를 던져 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나오는 횟수를 확률변수 K\displaystyle K라고 하고 확률변수 K\displaystyle K가 이항분포 B(n, 23)\displaystyle \mathrm{B} \left (n,~ \frac{2}{3} \right )를 따른다고 했으면

[3]

주사위를 n\displaystyle n번 던져 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나오는 횟수를 확률변수 K\displaystyle K라고 하면

6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나올 확률 p=23\displaystyle p=\frac{2}{3}이므로 q=1p=13\displaystyle q=1-p=\frac{1}{3}

확률변수 K\displaystyle K는 이항분포 B(n, p)=B(n, 23)\displaystyle \mathrm{B}(n,~ p)=\mathrm{B} \left (n,~ \frac{2}{3} \right )를 따르고 E(K)=np=23n,   V(K)=σ2=npq=29n\displaystyle \mathrm{E}(K)=n p=\frac{2}{3} n,~ ~ \mathrm{~V}(K)=\sigma ^{2}=n p q=\frac{2}{9} n

+1점 · 시행횟수가 충분히 크므로 확률변수 K\displaystyle K가 정규분포 N(300, 102)\displaystyle \mathrm{N} \left (300,~10^{2} \right )을 따른다고 했으면

주사위를 450\displaystyle 450번 던지는 경우 시행 횟수가 충분히 크므로

확률변수 K\displaystyle K는 근사적으로 정규분포 N(np, npq)=N(300, 102)\displaystyle \mathrm{N}(n p,~ n p q)=\mathrm{N} \left (300,~10^{2} \right )을 따른다.

+4점 · 수직선 위 점 P\displaystyle \mathrm{P} 의 좌표를 확률변수 X\displaystyle X라고 하면 X=2K\displaystyle X=2 K이고 확률변수 X\displaystyle X는 정규분포 N(600, 202)\displaystyle \mathrm{N} \left (600,~20^{2} \right )을 따른다고 했으면

수직선 위 점 P\displaystyle \mathrm{P} 의 좌표를 확률변수 X\displaystyle X라고 하면 X=2K\displaystyle X=2 K이고

E(X)=E(2K)=2E(K)=2×23×450=600\displaystyle \mathrm{E}(X)=\mathrm{E}(2 K)=2 \mathrm{E}(K)=2 \times \frac{2}{3} \times 450=600

V(X)=V(2K)=22 V(K)=4×23×13×450=202\displaystyle \mathrm{V}(X)=\mathrm{V}(2 K)=2^{2} \mathrm{~V}(K)=4 \times \frac{2}{3} \times \frac{1}{3} \times 450=20^{2}

따라서 확률변수 X\displaystyle X는 정규분포 N(600, 202)\displaystyle \mathrm{N} \left (600,~20^{2} \right )을 따르고

+1점 · 확률변수 Z=X60020\displaystyle Z=\frac{X-600}{20}은 표준정규분포 N(0, 1)\displaystyle \mathrm{N}(0,~1)을 따른다고 했으면

확률변수 Z=X60020\displaystyle Z=\frac{X-600}{20}은 표준정규분포 N(0, 1)\displaystyle \mathrm{N}(0,~1)을 따른다.

+4점 · P(580X640)=P(1Z2)=0.8185\displaystyle \mathrm{P}(580 \le X \le 640)=\mathrm{P}(-1 \le Z \le 2)=0.8185를 구했으면

P(580X640)=P(58060020X6002064060020)=P(1Z2)=P(1Z0)+P(0Z2)=P(0Z1)+P(0Z2)=12P(1Z1)+12P(2Z2)=0.3413+0.4772=0.8185\displaystyle \begin{aligned}\mathrm P(580\le X\le640)&=\mathrm P\left(\dfrac{580-600}{20}\le\dfrac{X-600}{20}\le\dfrac{640-600}{20}\right)\\&=\mathrm P(-1\le Z\le2)=\mathrm P(-1\le Z\le0)+\mathrm P(0\le Z\le2)\\&=\mathrm P(0\le Z\le1)+\mathrm P(0\le Z\le2)\\&=\dfrac12\mathrm P(-1\le Z\le1)+\dfrac12\mathrm P(-2\le Z\le2)\\&=0.3413+0.4772=0.8185\end{aligned}

+3점 · 원 x2+y2=2n\displaystyle x^{2}+y^{2}=2 n과 곡선 y=nx\displaystyle y=\frac{n}{x}이 만나는 점의 양의 x\displaystyle x좌표 an=n\displaystyle a_{n}=\sqrt {n}을 구했으면

[4]

x2+y2=2n\displaystyle x^{2}+y^{2}=2 n과 곡선 y=nx\displaystyle y=\frac{n}{x}이 만나므로 x2+(nx)2=2n\displaystyle x^{2}+ \left (\frac{n}{x} \right )^{2}=2 n

x2+n2x22n=0\displaystyle x^{2}+\frac{n^{2}}{x^{2}}-2 n=0에서 x42nx2+n2=(x2n)2=0\displaystyle x^{4}-2 n x^{2}+n^{2}= \left (x^{2}-n \right )^{2}=0이므로 x=±n\displaystyle x= ± \sqrt {n}

따라서 만나는 점의 양의 x\displaystyle x좌표 an=n\displaystyle a_{n}=\sqrt {n}

+3점 · 원 x2+y2=2n\displaystyle x^{2}+y^{2}=2 n과 곡선 y=2nx\displaystyle y=\sqrt {2 n x}가 만나는 점의 x\displaystyle x좌표 bn=n2+2nn\displaystyle b_{n}=\sqrt {n^{2}+2 n}-n을 구했으면

x2+y2=2n\displaystyle x^{2}+y^{2}=2 n과 곡선 y=2nx\displaystyle y=\sqrt {2 n x}가 만나므로

x2+(2nx)22n=x2+2nx2n=0\displaystyle x^{2}+(\sqrt {2 n x})^{2}-2 n=x^{2}+2 n x-2 n=0에서 x=n±n2+2n\displaystyle x=-n ± \sqrt {n^{2}+2 n}

따라서 만나는 점의 x\displaystyle x좌표 bn=n2+2nn\displaystyle b_n=\sqrt{n^2+2n}-n (\displaystyle \because 무리함수의 정의역 x>0\displaystyle x>0)

+4점 · limnbn(an)2=limnn2+2nnn=0\displaystyle \lim _{n \to \infty } \frac{b_{n}}{ \left (a_{n} \right )^{2}}=\lim _{n \to \infty } \frac{\sqrt {n^{2}+2 n}-n}{n}=0을 구했으면

limnbn(an)2=limnn2+2nn(n)2=limnn2+2nnn=limn(n2+2nn)(n2+2n+n)n(n2+2n+n)=limnn2+2nn2n(n2+2n+n)=limn2n2+2n+n=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\dfrac{b_n}{(a_n)^2}&=\lim_{n\to\infty}\dfrac{\sqrt{n^2+2n}-n}{(\sqrt n)^2}=\lim_{n\to\infty}\dfrac{\sqrt{n^2+2n}-n}n\\&=\lim_{n\to\infty}\dfrac{(\sqrt{n^2+2n}-n)(\sqrt{n^2+2n}+n)}{n(\sqrt{n^2+2n}+n)}=\lim_{n\to\infty}\dfrac{n^2+2n-n^2}{n(\sqrt{n^2+2n}+n)}\\&=\lim_{n\to\infty}\dfrac2{\sqrt{n^2+2n}+n}=0\end{aligned}

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