수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 2번

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문제

[문제 2] 다음과 같은 실험을 한다.

아래 그림과 같이 상자 A와 상자 B가 있고, 각 공에는 숫자 −1, 0 또는 1이 표시되어 있다.

(가) 상자 A에는 -1◯\displaystyle \text{\textcircled{-1}}의 공 세 개, 0◯\displaystyle \text{\textcircled{0}}의 공 한 개, 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공 두 개가 들어있다.

(나) 상자 B에는 -1◯\displaystyle \text{\textcircled{-1}}의 공 한 개, 0◯\displaystyle \text{\textcircled{0}}의 공 두 개, 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공 한 개가 들어있다.

상자 A에서 임의로 두 개의 공을 동시에 꺼내 숫자가 같으면 이 두 개의 공을 상자 B로 옮기고, 숫자가 다르면 B로 옮기지 않는다.

그다음에 상자 B에서 임의로 한 개의 공을 꺼내 표시된 숫자를 확인한다. 이 수를 확률변수 X\displaystyle X라고 하자. 그리고 공들을 처음 상태로 되돌린다.

공이 들어 있는 상자 A와 상자 B

(2-1) 확률 P(X=1)\displaystyle \mathrm P(X=1)을 구하시오. (80점)

(2-2) X=1\displaystyle X=1일 때 상자 A에서 꺼냈던 두 개의 공이 서로 같은 숫자일 확률을 구하시오. (70점)

(2-3) 위의 실험을 3회 독립 시행하여 구한 표본평균을 X‾\displaystyle \overline X라 하자. 확률 P(X‾≤0.7)\displaystyle \mathrm P(\overline X\le0.7)을 구하시오. (80점)

해설강의 준비중

[문제 2]

(2-1) 상자 A에서 -1◯\displaystyle \text{\textcircled{-1}}의 공 2개를 꺼낼 사건을 Am\displaystyle A_m, 상자 A에서 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공 2개를 꺼낼 사건을 Ap\displaystyle A_p, 상자 A에서 숫자가 다른 2개의 공을 꺼낼 사건을 Ad\displaystyle A_d라고 하자. 그러면 P(Am)=3C26C2=315=15\displaystyle P(A_m)=\frac{{}_3\mathrm C_2}{{}_6\mathrm C_2}=\frac3{15}=\frac15, P(Ap)=2C26C2=115\displaystyle P(A_p)=\frac{{}_2\mathrm C_2}{{}_6\mathrm C_2}=\frac1{15}, P(Ad)=1−P(Ap)−P(Am)=1115\displaystyle P(A_d)=1-P(A_p)-P(A_m)=\frac{11}{15}이다.

X=1\displaystyle X=1인 사건은 상자 B에서 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공을 꺼내는 사건이며 이 사건을 B1\displaystyle B_1이라 하자. 그러면

40점 · P(B1∣Am)=16\displaystyle P(B_1\mid A_m)=\frac16, P(B1∣Ap)=12\displaystyle P(B_1\mid A_p)=\frac12, P(B1∣Ad)=14\displaystyle P(B_1\mid A_d)=\frac14을 구하면
80점 · 답 14\displaystyle \frac14을 구하면

P(X=1)=P(B1)=P(Am∩B1)+P(Ap∩B1)+P(Ad∩B1)=P(Am)P(B1∣Am)+P(Ap)P(B1∣Ap)+P(Ad)P(B1∣Ad)=15×16+115×36+1115×14=14.\displaystyle \begin{aligned}P(X=1)=P(B_1)&=P(A_m\cap B_1)+P(A_p\cap B_1)+P(A_d\cap B_1)\\&=P(A_m)P(B_1\mid A_m)+P(A_p)P(B_1\mid A_p)+P(A_d)P(B_1\mid A_d)\\&=\frac15\times\frac16+\frac1{15}\times\frac36+\frac{11}{15}\times\frac14=\frac14.\end{aligned}

[주의] 사건 Ad\displaystyle A_d의 확률 1115\displaystyle \frac{11}{15}은 다음과 같은 방법으로도 구할 수 있다: 사건 Ad\displaystyle A_d를 “-1◯\displaystyle \text{\textcircled{-1}}의 공 1개와 0◯\displaystyle \text{\textcircled{0}}의 공 1개”, “-1◯\displaystyle \text{\textcircled{-1}}의 공 1개와 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공 1개”, “0◯\displaystyle \text{\textcircled{0}}의 공 1개와 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공 1개”의 사건으로 분할하여 산출하면 P(Ad)=3C16C2+3C1×2C16C2+2C16C2=1115\displaystyle P(A_d)=\frac{{}_3\mathrm C_1}{{}_6\mathrm C_2}+\frac{{}_3\mathrm C_1\times{}_2\mathrm C_1}{{}_6\mathrm C_2}+\frac{{}_2\mathrm C_1}{{}_6\mathrm C_2}=\frac{11}{15}이다.

(2-2) X=1\displaystyle X=1인 사건은 상자 B에서 1◯\displaystyle \text{\textcircled{1}}의 공을 꺼내는 사건이며 이 사건을 B1\displaystyle B_1이라 하자. X=1\displaystyle X=1일 경우, 상자 A에서 꺼낸 두 개의 공이 서로 같은 숫자일 확률은 다음과 같다.

40점 · P(Am)P(B1∣Am)+P(Ap)P(B1∣Ap)=115\displaystyle P(A_m)P(B_1\mid A_m)+P(A_p)P(B_1\mid A_p)=\frac1{15}을 구하면
70점 · 답 415\displaystyle \frac4{15}을 구하면

P(Am∣B1)+P(Ap∣B1)=P(Am∩B1)+P(Ap∩B1)P(B1)=P(Am)P(B1∣Am)+P(Ap)P(B1∣Ap)P(B1)=15×16+115×3614=1/151/4=415\displaystyle \begin{aligned}P(A_m\mid B_1)+P(A_p\mid B_1)&=\frac{P(A_m\cap B_1)+P(A_p\cap B_1)}{P(B_1)}\\&=\frac{P(A_m)P(B_1\mid A_m)+P(A_p)P(B_1\mid A_p)}{P(B_1)}\\&=\frac{\frac15\times\frac16+\frac1{15}\times\frac36}{\frac14}=\frac{1/15}{1/4}=\frac4{15}\end{aligned}

(2-3) 여사건의 확률을 이용하여 P(X‾≤0.7)=1−P(X‾>0.7)\displaystyle P(\overline X\le0.7)=1-P(\overline X>0.7)이다. {X‾>0.7}\displaystyle \{\overline X>0.7\}인 사건은 {X‾=1}\displaystyle \{\overline X=1\}인 사건과 같으며, X‾=1\displaystyle \overline X=1이 되기 위해서는 3회 시행의 결과는 모두 1이어야 한다.

40점 · P(X‾>0.7)=P(X‾=1)={P(X=1)}3\displaystyle P(\overline X>0.7)=P(\overline X=1)=\{P(X=1)\}^3이 답에 있으면

각각의 시행은 다른 시행의 결과에 영향을 받지 않으므로 P(X‾=1)=(P(X=1))3=(14)3=164\displaystyle P(\overline X=1)=(P(X=1))^3=\left(\frac14\right)^3=\frac1{64}이다.

80점 · 답 6364\displaystyle \frac{63}{64}을 구하면

그러므로 답은 P(X‾≤0.7)=1−P(X‾>0.7)=1−P(X‾=1)=1−(14)3=6364\displaystyle P(\overline X\le0.7)=1-P(\overline X>0.7)=1-P(\overline X=1)=1-\left(\frac14\right)^3=\frac{63}{64}이다.

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