수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 1번

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문제

[문제 1] 어떤 버스정류장에서 A대학교로 가는 B버스가 있다. 날씨가 맑을 때, 버스정류장에서 B버스를 기다리는 시간의 확률밀도함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다. (단, 시간의 단위는 분이다.)

f(x)=130(0≤x≤30)\displaystyle f(x)=\frac1{30}\quad(0\le x\le30)

한편 날씨가 맑지 않을 때, 버스정류장에서 B버스를 기다리는 시간의 확률밀도함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음과 같다.

g(x)=160(0≤x≤60)\displaystyle g(x)=\frac1{60}\quad(0\le x\le60)

일기예보에 의하면 날씨가 맑을 확률이 0.8\displaystyle 0.8, 맑지 않을 확률이 0.2\displaystyle 0.2이다. 수업에 지각하지 않기 위해서는 날씨에 관계없이 늦어도 오전 8시 15분에 버스를 타야한다.

(1-1) 어떤 학생이 오전 8시에 버스정류장에 도착한다고 가정하자. 이 학생이 지각하지 않을 확률을 구하시오. (60점)

(1-2) 어떤 학생이 오전 8시에 버스정류장에 도착하여 지각하지 않을 때, 날씨가 맑을 확률을 구하시오. (60점)

(1-3) 지각하지 않을 확률이 0.6\displaystyle 0.6이상 되기 위해서는 버스정류장에 늦어도 몇 시 몇 분에 도착하여야 하는지 구하시오. (60점)

해설강의 준비중

[문제 1]

(1-1)

표본공간을 S\displaystyle S, 지각하지 않을 사건을 O\displaystyle O, 날씨가 맑을 사건을 G\displaystyle G라고 하자. 날씨가 맑지 않을 사건은 G\displaystyle G의 여사건 Gc\displaystyle G^c이다.

일기예보에 의하면 P(G)=0.8\displaystyle P(G)=0.8이고 P(Gc)=1−P(G)=0.2\displaystyle P(G^c)=1-P(G)=0.2이다.

오전 8시에 버스정류장에 도착하면, 버스를 기다리는 시간이 15분 이하이어야 지각하지 않는다. 따라서 날씨가 맑을 때, 지각하지 않을 확률 P(O∣G)\displaystyle P(O\mid G)와 날씨가 맑지 않을 때, 지각하지 않을 확률 P(O∣Gc)\displaystyle P(O\mid G^c)은 각 확률밀도함수를 적분하여 다음과 같이 계산된다.

+30점 · 날씨가 맑을 때와 맑지 않을 때로 나누어 계산을 하여 P(O∣G)=0.5\displaystyle P(O\mid G)=0.5와 P(O∣Gc)=0.25\displaystyle P(O\mid G^c)=0.25를 구하면 (+30점, 각각 15점)

P(O∣G)=∫015130 dx=0.5,P(O∣Gc)=∫015160 dx=0.25\displaystyle P(O\mid G)=\int_0^{15}\frac1{30}\,dx=0.5,\quad P(O\mid G^c)=\int_0^{15}\frac1{60}\,dx=0.25

한편 표본공간 S\displaystyle S는 서로 배반인 사건 G\displaystyle G와 Gc\displaystyle G^c의 합집합 (S=G∪Gc)\displaystyle (S=G\cup G^c)이므로, 사건 O\displaystyle O를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

O=O∩S=O∩(G∪Gc)=(O∩G)∪(O∩Gc)\displaystyle O=O\cap S=O\cap(G\cup G^c)=(O\cap G)\cup(O\cap G^c)

사건 G\displaystyle G와 Gc\displaystyle G^c이 서로 배반이므로, 사건 (O∩G)(⊂G)\displaystyle (O\cap G)(\subset G)와 (O∩Gc)(⊂Gc)\displaystyle (O\cap G^c)(\subset G^c)는 서로 배반이다.

그러므로 확률의 덧셈정리에 의하여

P(O)=P((O∩G)∪(O∩Gc))=P(O∩G)+P(O∩Gc)\displaystyle P(O)=P((O\cap G)\cup(O\cap G^c))=P(O\cap G)+P(O\cap G^c)

이다.

확률의 곱셈정리에 의하여 P(O∩G)=P(G)P(O∣G)\displaystyle P(O\cap G)=P(G)P(O\mid G)이고 P(O∩Gc)=P(Gc)P(O∣Gc)\displaystyle P(O\cap G^c)=P(G^c)P(O\mid G^c)이다.

최종적으로 지각하지 않을 확률 P(O)\displaystyle P(O)은 다음과 같다.

+30점 · 최종적으로 P(O)=P(O∩G)+P(O∩Gc)\displaystyle P(O)=P(O\cap G)+P(O\cap G^c) (=P(G)P(O∣G)+P(Gc)P(O∣Gc))=0.45\displaystyle (=P(G)P(O\mid G)+P(G^c)P(O\mid G^c))=0.45를 구하면

P(O)=P(G)P(O∣G)+P(Gc)P(O∣Gc)=0.8×0.5+0.2×0.25=0.45\displaystyle P(O)=P(G)P(O\mid G)+P(G^c)P(O\mid G^c)=0.8\times0.5+0.2\times0.25=0.45

(1-2)

오전 8시에 버스정류장에 도착하여 지각하지 않을 때, 날씨가 맑을 확률 P(G∣O)\displaystyle P(G\mid O)는 조건부확률의 정의에 의해 P(G∣O)=P(G∩O)P(O)\displaystyle P(G\mid O)=\frac{P(G\cap O)}{P(O)}이다.

+30점 · P(G∩O)(=P(G)P(O∣G))=0.4\displaystyle P(G\cap O)(=P(G)P(O\mid G))=0.4를 구하면

확률의 곱셈정리에 의하여 P(G∩O)=P(G)P(O∣G)=0.8×0.5=0.4\displaystyle P(G\cap O)=P(G)P(O\mid G)=0.8\times0.5=0.4이고 확률 P(O)\displaystyle P(O)는 (1-1)에 의해 0.45이므로 확률 P(G∣O)\displaystyle P(G\mid O)는 다음과 같다.

+30점 · P(G∣O)=P(G∩O)P(O)(=P(G)P(O∣G)P(O))=0.40.45=89\displaystyle P(G\mid O)=\frac{P(G\cap O)}{P(O)}\left(=\frac{P(G)P(O\mid G)}{P(O)}\right)=\frac{0.4}{0.45}=\frac89을 구하면

P(G∣O)=P(G)P(O∣G)P(O)=0.40.45=89\displaystyle P(G\mid O)=\frac{P(G)P(O\mid G)}{P(O)}=\frac{0.4}{0.45}=\frac89

(1-3)

버스정류장에 도착한 시간부터 8시 15분까지의 시간을 y(≥0)\displaystyle y(\ge0)라 하자. 버스를 기다리는 시간이 y\displaystyle y 이하이면 지각하지 않는다. 따라서

P(O∣G)=∫0y130 dx=y30\displaystyle P(O\mid G)=\int_0^y\frac1{30}\,dx=\frac y{30}이고 P(O∣Gc)=∫0y160 dx=y60\displaystyle P(O\mid G^c)=\int_0^y\frac1{60}\,dx=\frac y{60}

이다. (1-1)에서 사용한 계산방법을 이용하면, 지각하지 않을 확률 P(O)\displaystyle P(O)는 다음과 같다.

P(O)=P(G)P(O∣G)+P(Gc)P(O∣Gc)=0.8×y30+0.2×y60=3100y\displaystyle P(O)=P(G)P(O\mid G)+P(G^c)P(O\mid G^c)=0.8\times\frac y{30}+0.2\times\frac y{60}=\frac3{100}y

P(O)=3100y≥0.6\displaystyle P(O)=\frac3{100}y\ge0.6이어야 하므로 y≥20\displaystyle y\ge20이다.

60점 · 관계식 P(O)=3100y≥0.6\displaystyle P(O)=\frac3{100}y\ge0.6을 구하고 답 7시55분을 구하면

따라서 늦어도 오전 8시 15분의 20분 전인 오전 7시 55분에 도착하여야 한다.

(1-3) 관계식 P(O)=3100y≥0.6\displaystyle P(O)=\frac3{100}y\ge0.6을 구하고 답이 틀리면 (40점)

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