수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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[3.1] N\displaystyle N개의 데이터가 있을 때 k\displaystyle k번째 검색에서 원하는 자료를 찾으려면, 첫 번째 검색부터 k1\displaystyle k-1번째 검색까지 원하는 자료가 나오지 않아야 한다. 첫 번째에서 검색에 실패할 확률 q1=11N=N1N\displaystyle q_1=1-\frac1N=\frac{N-1}N이며 첫 번째에 이어 두 번째 검색에서도 원하는 데이터를 얻지 못할 확률은q2=q1×(11N1)=N1N×N2N1=N2N\displaystyle q_2=q_1\times\left(1-\frac1{N-1}\right)=\frac{N-1}N\times\frac{N-2}{N-1}=\frac{N-2}N이다.이와 같이 연속해서 k1\displaystyle k-1번째까지 원하는 데이터를 얻지 못할 확률은 다음과 같다.qk1=qk2×(11N(k2))=(N1N)(N2N1)(N3N2)(N(k1)N(k2))=N(k1)N\displaystyle q_{k-1}=q_{k-2}\times\left(1-\frac1{N-(k-2)}\right)=\left(\frac{N-1}N\right)\left(\frac{N-2}{N-1}\right)\left(\frac{N-3}{N-2}\right)\cdots\left(\frac{N-(k-1)}{N-(k-2)}\right)=\frac{N-(k-1)}N이를 이용하여 k\displaystyle k번째에 데이터를 찾을 확률은 확률의 곱셈정리를 통하여 다음과 같이 구한다.pk=qk1×1N(k1)=(N(k1)N)(1N(k1))=1N\displaystyle p_k=q_{k-1}\times\frac1{N-(k-1)}=\left(\frac{N-(k-1)}N\right)\left(\frac1{N-(k-1)}\right)=\frac1N검색 완료까지의 횟수에 대한 기댓값은 k=1Nk×pk=k=1Nk×1N=N(N+1)2×1N=N+12\displaystyle \sum_{k=1}^Nk\times p_k=\sum_{k=1}^Nk\times\frac1N=\frac{N(N+1)}2\times\frac1N=\frac{N+1}2이다.

[3.2] 제시문 (다)에서 N=4\displaystyle N=4일 때, 선분 OS와 x\displaystyle x축 사이의 각도 θ\displaystyle \thetasinθ=12\displaystyle \sin\theta=\frac12을 만족하므로 θ=π6\displaystyle \theta=\frac\pi6이다. 따라서 점 S의 좌표 (cosθ,sinθ)=(32,12)\displaystyle (\cos\theta,\sin\theta)=\left(\frac{\sqrt3}2,\frac12\right)이다. GS\displaystyle G_{\mathrm S}연산을 처음 수행할 때, 점 Q0\displaystyle \mathrm Q_0의 위치는 점 S와 같으므로 점 Q0\displaystyle \mathrm Q_0x\displaystyle x축 대칭이동 시킨 점 Q1\displaystyle \mathrm Q_1의 좌표는 (32,12)\displaystyle \left(\frac{\sqrt3}2,-\frac12\right)이다. 점 Q2\displaystyle \mathrm Q_2와 점 Q1\displaystyle \mathrm Q_1은 선분 OS에 대하여 대칭이므로 제시문 (가)를 활용하여 OQ2=2(OSOQ1)OSOQ1\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}_2}=2(\overrightarrow{\mathrm{OS}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OQ}_1})\overrightarrow{\mathrm{OS}}-\overrightarrow{\mathrm{OQ}_1}을 얻는다.이를 이용하여 점 Q2\displaystyle \mathrm Q_2의 좌표를 구하기 위해 OS=(32,12)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OS}}=\left(\frac{\sqrt3}2,\frac12\right)OQ1=(32,12)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}_1}=\left(\frac{\sqrt3}2,-\frac12\right)를 넣어주면 OQ2=(0,1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}_2}=(0,1)임을 알 수 있다. 점 A1\displaystyle \mathrm A_1의 좌표는 점 Q2\displaystyle \mathrm Q_2의 좌표와 같으므로 A1\displaystyle \mathrm A_1의 좌표는 (0,1)\displaystyle (0,1)이다.따라서 확률 p1=(OA1e2)2=1\displaystyle p_1=(\overrightarrow{\mathrm{OA}_1}\cdot\overrightarrow{e_2})^2=1이다.

[3.3] 선분 OQ0\displaystyle \mathrm{OQ}_0x\displaystyle x축 사이의 각도를 γ\displaystyle \gamma라고 하자. 점 Q1\displaystyle \mathrm Q_1Q0\displaystyle \mathrm Q_0x\displaystyle x축에 대칭시킨 점이므로 선분 OQ1\displaystyle \mathrm{OQ}_1x\displaystyle x축 사이의 각도 역시 γ\displaystyle \gamma이다. 따라서 선분 OS와 선분 OQ1\displaystyle \mathrm{OQ}_1이 이루는 각도 SOQ1=θ+γ\displaystyle \angle\mathrm{SOQ}_1=\theta+\gamma이다.Q2\displaystyle \mathrm Q_2Q1\displaystyle \mathrm Q_1은 선분 OS에 대해 대칭이므로 SOQ2=SOQ1=θ+γ\displaystyle \angle\mathrm{SOQ}_2=\angle\mathrm{SOQ}_1=\theta+\gamma이다. 따라서 선분 OQ2\displaystyle \mathrm{OQ}_2x\displaystyle x축 사이의 각도는 SOQ2+θ=2θ+γ\displaystyle \angle\mathrm{SOQ}_2+\theta=2\theta+\gamma이다. 선분 OQ0\displaystyle \mathrm{OQ}_0x\displaystyle x축 사이의 각도가 γ\displaystyle \gamma이므로 선분 OQ0\displaystyle \mathrm{OQ}_0과 선분 OQ2\displaystyle \mathrm{OQ}_2가 이루는 각도 α\displaystyle \alpha(2θ+γ)γ=2θ\displaystyle (2\theta+\gamma)-\gamma=2\theta이다.처음으로 GS\displaystyle G_{\mathrm S}연산을 하는 경우는 점 Q0\displaystyle \mathrm Q_0을 S로 놓기 때문에 선분 OA1\displaystyle \mathrm{OA}_1이 선분 OS에 대해 2θ\displaystyle 2\theta만큼 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 GS\displaystyle G_{\mathrm S}연산을 n\displaystyle n번 연속적으로 실행한 후에는 선분 OAn\displaystyle \mathrm{OA}_n은 선분 OS에 대해 (2θ)×n\displaystyle (2\theta)\times n만큼 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 선분 OS와 x\displaystyle x축 사이의 각도가 θ\displaystyle \theta이므로 선분 OAn\displaystyle \mathrm{OA}_nx\displaystyle x축과의 각도는 (2θ)×n+θ=(2n+1)θ\displaystyle (2\theta)\times n+\theta=(2n+1)\theta가 된다.

[3.4] 데이터를 찾을 확률이 최대인 지점은 점 An\displaystyle \mathrm A_ny\displaystyle y축에 가장 가깝게 되는 곳이다. 즉 선분 OAn\displaystyle \mathrm{OA}_nx\displaystyle x축과의 각도 (2n+1)θ\displaystyle (2n+1)\thetaπ2\displaystyle \frac\pi2에 최대한 가까워야 된다. N=213\displaystyle N=2^{13}일 때 sinθ=1213\displaystyle \sin\theta=\frac1{\sqrt{2^{13}}}이다. 문제의 조건에서 θ=0.01\displaystyle \theta=0.01이므로 (2n+1)θ=(2n+1)×0.01π2=3.142\displaystyle (2n+1)\theta=(2n+1)\times0.01\approx\frac\pi2=\frac{3.14}2를 만족하는 n\displaystyle n을 구하면 n=78\displaystyle n=78이다. 따라서, 양자컴퓨터가 GS\displaystyle G_{\mathrm S}연산을 78\displaystyle 78번 반복한 후 탐색이 종료된다.

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