수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[2.1] 홍길동이 주사위를 네 번 던져 네 번째에 처음으로 점 A\displaystyle A에 도착하기 위해서는, 주사위를 세 번 던질 때까지 점 A\displaystyle A에 도착한 적이 없어야 한다. 이러한 경우의 수는 주사위를 첫 번째 던져 점 A\displaystyle A를 제외한 세 점에 도착하는 3가지, 두 번째와 세 번째 던져 점 A\displaystyle A와 현재 있는 점을 제외한 두 점에 도착하는 2가지이다. 따라서 이러한 경우의 수는 3×2×2=12\displaystyle 3\times2\times2=12가지이다. 홍길동이 주사위를 네 번 던질 때 확률은 (134)\displaystyle \left(\frac1{3^4}\right)이므로 구해지는 확률은 3×22×(134)=2233=427\displaystyle 3\times2^2\times\left(\frac1{3^4}\right)=\frac{2^2}{3^3}=\frac4{27}이다.

[2.2] 홍길동이 주사위를 n\displaystyle n번(n2\displaystyle n\geq2) 던져 n\displaystyle n번째에 처음으로 점 A\displaystyle A에 도착하게 되는 경우의 수는 주사위를 (n1)\displaystyle (n-1)번 던질 때까지 점 A\displaystyle A에 도착한 적이 없는 경우의 수와 동일하다. 홍길동이 주사위를 두 번, 세 번, 네 번 던져 처음으로 점 A\displaystyle A에 도착하게 되는 경우의 수는 각각 3가지, 3×2\displaystyle 3\times2가지, 3×2×2\displaystyle 3\times2\times2가지이다. 이를 일반화하면 홍길동이 주사위를 n\displaystyle n번 던져 n\displaystyle n번째에 처음으로 점 A\displaystyle A에 도착하게 되는 경우의 수는 3×2n2\displaystyle 3\times2^{n-2}가지이다. 따라서 홍길동이 주사위를 n\displaystyle n번 던져 n\displaystyle n번째에 처음으로 점 A\displaystyle A에 도착하게 되는 확률은 3×2n23n=2n23n1\displaystyle \frac{3\times2^{n-2}}{3^n}=\frac{2^{n-2}}{3^{n-1}}이다.

[2.3] 홍길동이 주사위를 두 번, 세 번, 네 번, 다섯 번 던져 점 A\displaystyle A에 도착하게 되어 이동이 종료될 확률은 문제 [2.2]의 해답에서 구한 바와 같이 각각 13\displaystyle \frac13, 29\displaystyle \frac29, 427\displaystyle \frac4{27}, 881\displaystyle \frac8{81}이다. 홍길동이 주사위를 던져 다섯 번 이내에 이동이 종료될 확률은 앞선 네 개의 확률을 모두 더한 값으로 13+29+427+881=6581\displaystyle \frac13+\frac29+\frac4{27}+\frac8{81}=\frac{65}{81}이다.

[2.4] 홍길동이 주사위를 n\displaystyle n번 던져 n\displaystyle n번 이내에 이동이 종료될 확률은 문제 [2.2]의 해답에서 구한 모든 확률을 더한 것으로 다음 식과 같이 구한다.k=2n2k23k1=k=2n(13)(23)k2=(13)(23)n11231=(13)1(23)n1123=1(23)n1\displaystyle \sum_{k=2}^n\frac{2^{k-2}}{3^{k-1}}=\sum_{k=2}^n\left(\frac13\right)\left(\frac23\right)^{k-2}=\left(\frac13\right)\frac{\left(\frac23\right)^{n-1}-1}{\frac23-1}=\left(\frac13\right)\frac{1-\left(\frac23\right)^{n-1}}{1-\frac23}=1-\left(\frac23\right)^{n-1}

[2.5] 홍길동이 주사위를 네 번 던져 점 A,B,C,D\displaystyle A,B,C,D에 도착하는 경우의 수와 확률은 다음과 같이 구한다.① 점 A\displaystyle A에 도착하는 경우의 수는 3×(3+2+2)=21\displaystyle 3\times(3+2+2)=21이며 확률은 2134\displaystyle \frac{21}{3^4}이다.② 점 B\displaystyle B에 도착하는 경우의 수는 2×(3+2+2)+(2+2+2)=20\displaystyle 2\times(3+2+2)+(2+2+2)=20이며 확률은 2034\displaystyle \frac{20}{3^4}이다.③ 점 C\displaystyle C에 도착하는 경우의 수는 2×(3+2+2)+(2+2+2)=20\displaystyle 2\times(3+2+2)+(2+2+2)=20이며 확률은 2034\displaystyle \frac{20}{3^4}이다.④ 점 D\displaystyle D에 도착하는 경우의 수는 2×(3+2+2)+(2+2+2)=20\displaystyle 2\times(3+2+2)+(2+2+2)=20이며 확률은 2034\displaystyle \frac{20}{3^4}이다.홍길동이 주사위를 네 번 던져 얻는 점수를 확률 변수 X\displaystyle X라 하면 X\displaystyle X의 값은 10,20,30,40\displaystyle 10,20,30,40이다.확률변수 X\displaystyle X의 확률분포를 표로 나타내면 다음과 같다.

X\displaystyle X10203040합계
P(X=x)\displaystyle P(X=x)2134\displaystyle \frac{21}{3^4}2034\displaystyle \frac{20}{3^4}2034\displaystyle \frac{20}{3^4}2034\displaystyle \frac{20}{3^4}1

확률변수 X\displaystyle X의 기댓값 E(X)\displaystyle E(X)는 다음과 같이 구한다.E(X)=10×P(X=10)+20×P(X=20)+30×P(X=30)+40×P(X=40)=10×2134+20×2034+30×2034+40×2034=67027\displaystyle \begin{aligned}E(X)&=10\times P(X=10)+20\times P(X=20)+30\times P(X=30)+40\times P(X=40)\\&=10\times\frac{21}{3^4}+20\times\frac{20}{3^4}+30\times\frac{20}{3^4}+40\times\frac{20}{3^4}=\frac{670}{27}\end{aligned}

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