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서울과학기술대 2019학년도 수시 오전 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/seoultech/2019su_am/jayeon_3
[3.1] N개의 데이터가 있을 때 k번째 검색에서 원하는 자료를 찾으려면, 첫 번째 검색부터 k−1번째 검색까지 원하는 자료가 나오지 않아야 한다. 첫 번째에서 검색에 실패할 확률 q1=1−N1=NN−1이며 첫 번째에 이어 두 번째 검색에서도 원하는 데이터를 얻지 못할 확률은q2=q1×(1−N−11)=NN−1×N−1N−2=NN−2이다.이와 같이 연속해서 k−1번째까지 원하는 데이터를 얻지 못할 확률은 다음과 같다.qk−1=qk−2×(1−N−(k−2)1)=(NN−1)(N−1N−2)(N−2N−3)⋯(N−(k−2)N−(k−1))=NN−(k−1)이를 이용하여 k번째에 데이터를 찾을 확률은 확률의 곱셈정리를 통하여 다음과 같이 구한다.pk=qk−1×N−(k−1)1=(NN−(k−1))(N−(k−1)1)=N1검색 완료까지의 횟수에 대한 기댓값은 k=1∑Nk×pk=k=1∑Nk×N1=2N(N+1)×N1=2N+1이다.
[3.2] 제시문 (다)에서 N=4일 때, 선분 OS와 x축 사이의 각도 θ는 sinθ=21을 만족하므로 θ=6π이다. 따라서 점 S의 좌표 (cosθ,sinθ)=(23,21)이다. GS연산을 처음 수행할 때, 점 Q0의 위치는 점 S와 같으므로 점 Q0를 x축 대칭이동 시킨 점 Q1의 좌표는 (23,−21)이다. 점 Q2와 점 Q1은 선분 OS에 대하여 대칭이므로 제시문 (가)를 활용하여 OQ2=2(OS⋅OQ1)OS−OQ1을 얻는다.이를 이용하여 점 Q2의 좌표를 구하기 위해 OS=(23,21) 및 OQ1=(23,−21)를 넣어주면 OQ2=(0,1)임을 알 수 있다. 점 A1의 좌표는 점 Q2의 좌표와 같으므로 A1의 좌표는 (0,1)이다.따라서 확률 p1=(OA1⋅e2)2=1이다.
[3.3] 선분 OQ0과 x축 사이의 각도를 γ라고 하자. 점 Q1은 Q0을 x축에 대칭시킨 점이므로 선분 OQ1과 x축 사이의 각도 역시 γ이다. 따라서 선분 OS와 선분 OQ1이 이루는 각도 ∠SOQ1=θ+γ이다.점 Q2와 Q1은 선분 OS에 대해 대칭이므로 ∠SOQ2=∠SOQ1=θ+γ이다. 따라서 선분 OQ2와 x축 사이의 각도는 ∠SOQ2+θ=2θ+γ이다. 선분 OQ0과 x축 사이의 각도가 γ이므로 선분 OQ0과 선분 OQ2가 이루는 각도 α는 (2θ+γ)−γ=2θ이다.처음으로 GS연산을 하는 경우는 점 Q0을 S로 놓기 때문에 선분 OA1이 선분 OS에 대해 2θ만큼 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 GS연산을 n번 연속적으로 실행한 후에는 선분 OAn은 선분 OS에 대해 (2θ)×n만큼 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 선분 OS와 x축 사이의 각도가 θ이므로 선분 OAn과 x축과의 각도는 (2θ)×n+θ=(2n+1)θ가 된다.
[3.4] 데이터를 찾을 확률이 최대인 지점은 점 An이 y축에 가장 가깝게 되는 곳이다. 즉 선분 OAn과 x축과의 각도 (2n+1)θ가 2π에 최대한 가까워야 된다. N=213일 때 sinθ=2131이다. 문제의 조건에서 θ=0.01이므로 (2n+1)θ=(2n+1)×0.01≈2π=23.14를 만족하는 n을 구하면 n=78이다. 따라서, 양자컴퓨터가 GS연산을 78번 반복한 후 탐색이 종료된다.