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자연계열 3번

문제

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[3-1]

P(X2)=1P(X=0)P(X=1)\displaystyle \mathrm{P} ( X \geq 2 ) = 1 - \mathrm{P} ( X = 0 ) - \mathrm{P} ( X = 1 )의 값이다.

+3점 · P(X=0)\displaystyle \mathrm{P}(X=0)의 값을 구할 수 있다.

(ⅰ) X=0\displaystyle X = 0은 앞면과 뒷면이 변화하는 횟수가 0\displaystyle 0이므로 모두 H\displaystyle \mathrm{H} 또는 T\displaystyle \mathrm{T}이다.P(X=0)=2×(12)25=1224\displaystyle \mathrm{P} ( X = 0 ) = 2 \times \left( \frac{{1}}{2} \right)^{25} = \frac{{1}}{2^{24}}

+5점 · P(X=1)\displaystyle \mathrm{P}(X=1)의 값을 구할 수 있다.

(ⅱ) X=1\displaystyle X = 1은 동전을 25\displaystyle 25번 던져서 나오는 앞면과 뒷면을 차례로 적었을 때, 앞면과 뒷면이 변화하는 횟수가 총 1번이다. 동전과 동전 사이에 칸막이를 설치할 수 있을 때 앞면과 뒷면의 변화가 있으면 칸막이를 설치한다. 아래의 그림과 같이 동전과 동전 사이에 있는 24\displaystyle 24개의 칸 중에서 k\displaystyle k(1k24\displaystyle 1 \leq k \leq 24)번째에 칸막이를 설치하면 칸막이를 기준으로 앞면과 뒷면의 변화가 1\displaystyle 1번 발생한다.

k번째 칸에 칸막이를 설치한 동전 배열 두 가지

P(X=1)\displaystyle \mathrm{P} ( X = 1 )24\displaystyle 24개의 칸 중에서 k\displaystyle k(1k24\displaystyle 1 \leq k \leq 24)번째에 칸막이를 설치할 확률과 같으므로P(X=1)=24C1×(12)k(12)25k×2=24224\displaystyle \mathrm{P}(X=1)={}_{24}\mathrm{C}_{1}\times\left(\frac12\right)^k\left(\frac12\right)^{25-k}\times2=\frac{24}{2^{24}}

+2점 · 여사건의 확률을 이용하여 P(X2)\displaystyle \mathrm{P}(X\ge2)의 값을 구할 수 있다.

따라서, (ⅰ), (ⅱ)에서 구하는 값은 P(X2)=1122424224=125224\displaystyle \mathrm{P} ( X \geq 2 ) = 1 - \frac{{1}}{2^{24}} - \frac{{24}}{2^{24}} = 1 - \frac{{25}}{2^{24}}이다.

[3-2]

+5점 · P(X=m)\displaystyle \mathrm{P}(X=m)의 식을 서술할 수 있다.

P(X=m)\displaystyle \mathrm{P} ( X = m )의 값은 동전과 동전 사이에 있는 24\displaystyle 24개의 칸 중에서 m\displaystyle m개의 칸막이를 설치하고 앞면과 뒷면이 나오는 확률을 구하는 것과 같다.P(X=m)=24Cm(12)k(12)25k×2=24Cm224\displaystyle \mathrm{P}(X=m)={}_{24}\mathrm{C}_{m}\left(\frac12\right)^k\left(\frac12\right)^{25-k}\times2=\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{m}}{2^{24}}이다.

+5점 · P(X=m)\displaystyle \mathrm{P}(X=m)이 최대가 되는 조건을 서술할 수 있다.

한편, P(X=m)\displaystyle \mathrm{P} ( X = m )의 값이 최대가 되려면 다음 식을 만족해야 한다.P(X=m1)P(X=m)\displaystyle \mathrm{P} ( X = m - 1 ) \leq \mathrm{P} ( X = m ), P(X=m)P(X=m+1)\displaystyle \mathrm{P} ( X = m ) \geq \mathrm{P} ( X = m + 1 )

+5점 · 조합의 성질을 이용하여 최대인 m\displaystyle m의 값을 구할 수 있다.

24Cm122424Cm224,24Cm22424Cm+1224\displaystyle \frac{{}_{24}\mathrm{C}_{m-1}}{2^{24}}\le\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{m}}{2^{24}},\quad\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{m}}{2^{24}}\ge\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{m+1}}{2^{24}}24!(m1)!×(25m)!24!m!×(24m)!\displaystyle \frac{{24 !}}{( m - 1 ) ! \times ( 25 - m ) !} \leq \frac{{24 !}}{m ! \times ( 24 - m ) !}, 24!m!×(24m)!24!(m+1)!×(23m)!\displaystyle \frac{{24 !}}{m ! \times ( 24 - m ) !} \geq \frac{{24 !}}{( m + 1 ) ! \times ( 23 - m ) !}m25m\displaystyle m \leq 25 - m, m+124m\displaystyle m + 1 \geq 24 - m232m252\displaystyle \frac{{23}}{2} \leq m \leq \frac{{25}}{2}이므로 만족하는 m\displaystyle m의 값은 12\displaystyle 12이다.

[3-3]

[3-2]에서 m=12\displaystyle m = 12이므로 k=0m11k+1×P(X=k)=k=0111k+1×24Ck224\displaystyle \sum_{k = 0}^{m - 1} \frac{{1}}{k + 1} \times \mathrm{P} ( X = k )= \sum_{k = 0}^{11} \frac{{1}}{k + 1} \times \frac{{_ {24} \mathrm{C} _ {\mathrm{k}}}}{2^{24}}이다.

+7점 · 조합의 성질을 이용하여 1k+1×P(X=k)\displaystyle \frac1{k+1}\times\mathrm{P}(X=k)의 식을 변형할 수 있다.

한편,1k+1×24Ck224=1k+1×24!k!×(24k)!×1224=25!(k+1)!×{25(k+1)}!×125×224=25Ck+1×125×224\displaystyle \begin{aligned}\frac1{k+1}\times\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{k}}{2^{24}}&=\frac1{k+1}\times\frac{24!}{k!\times(24-k)!}\times\frac1{2^{24}}\\&=\frac{25!}{(k+1)!\times\{25-(k+1)\}!}\times\frac1{25\times2^{24}}={}_{25}\mathrm{C}_{k+1}\times\frac1{25\times2^{24}}\end{aligned}이므로 주어진 식의 값은k=0111k+1×24Ck224=k=01125Ck+1×125×224=125×224(25C1+25C2++25C12)\displaystyle \sum_{k=0}^{11}\frac1{k+1}\times\frac{{}_{24}\mathrm{C}_{k}}{2^{24}}=\sum_{k=0}^{11}{}_{25}\mathrm{C}_{k+1}\times\frac1{25\times2^{24}}=\frac1{25\times2^{24}}\left({}_{25}\mathrm{C}_{1}+{}_{25}\mathrm{C}_{2}+\cdots+{}_{25}\mathrm{C}_{12}\right)이다.

+5점 · 제시문(다)를 이용하여 이항계수의 성질을 서술할 수 있다.

제시문 (다)를 통해 225=25C0+25C1+25C2++25C25\displaystyle 2^{25} =_{25} \mathrm{C} _ {0} +_{25} \mathrm{C} _ {1} +_{25} \mathrm{C} _ {2} + \cdots +_{25} \mathrm{C} _ {25}이고, 25Ck=25C25k\displaystyle _ {25} {\mathrm{C}} _ {k} =_{25} {\mathrm{C}} _ {25 - k}를 이용하면25C0+25C1++25C12=25C13+25C14++25C25=2251=224\displaystyle {}_{25}\mathrm{C}_{0}+{}_{25}\mathrm{C}_{1}+\cdots+{}_{25}\mathrm{C}_{12}={}_{25}\mathrm{C}_{13}+{}_{25}\mathrm{C}_{14}+\cdots+{}_{25}\mathrm{C}_{25}=2^{25-1}=2^{24}

+3점 · 이항계수의 값을 이용하여 k=0m11k+1×P(X=k)\displaystyle \sum_{k=0}^{m-1}\frac1{k+1}\times\mathrm{P}(X=k)의 값을 구할 수 있다.

이므로k=0m11k+1×P(X=k)=125×224×(2241)=150(21223)\displaystyle \sum_{k = 0}^{m - 1} \frac{{1}}{k + 1} \times \mathrm{P} ( X = k )= \frac{{1}}{25 \times 2^{24}} \times \left( 2^{24} - 1 \right) = \frac{{1}}{50} \left( 2 - \frac{{1}}{2^{23}} \right)이다.따라서 a\displaystyle a의 값은 21223\displaystyle 2 - \frac{{1}}{2^{23}}이다.

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