수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

[3.1] 두 장의 카드를 뽑는 경우의 수는 30C2\displaystyle {}_{30}\mathrm C_2이다. 짝수 중 3\displaystyle 3으로 나눈 나머지가 1\displaystyle 1인 수는 6m+4\displaystyle 6m+4꼴이고, 이를 제곱하면 3\displaystyle 3으로 나눈 나머지는 1\displaystyle 1이다. 짝수 중 3\displaystyle 3으로 나눈 나머지가 2\displaystyle 2인 수는 6m+2\displaystyle 6m+2꼴이고, 이를 제곱하면 3\displaystyle 3으로 나눈 나머지는 1\displaystyle 1이다. 이로부터 카드의 수를 문제의 규칙대로 더해서 3\displaystyle 3의 배수가 될 수 있는 경우는 다음 세 가지임을 알 수 있다.(1) 뽑은 카드가 모두 3\displaystyle 3의 배수인 경우 10C2\displaystyle {}_{10}\mathrm C_2이다.(2) 뽑은 카드가 모두 홀수일 때 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 1\displaystyle 1이고 다른 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 5\displaystyle 5인 경우 5C1×5C1\displaystyle {}_{5}\mathrm C_1\times{}_{5}\mathrm C_1이다.(3) 뽑은 카드의 홀짝이 다를 때 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 5\displaystyle 5이고 다른 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 2\displaystyle 2 또는 4\displaystyle 4인 경우 5C1×10C1\displaystyle {}_{5}\mathrm C_1\times{}_{10}\mathrm C_1이다.따라서 구하는 확률은 10C2+5C1×5C1+5C1×10C130C2=45+25+5015×29=9+5+103×29=829\displaystyle \frac{{}_{10}\mathrm C_2+{}_{5}\mathrm C_1\times{}_{5}\mathrm C_1+{}_{5}\mathrm C_1\times{}_{10}\mathrm C_1}{{}_{30}\mathrm C_2}=\frac{45+25+50}{15\times29}=\frac{9+5+10}{3\times29}=\frac8{29}이다.

[3.2] n\displaystyle n장의 카드 중 k\displaystyle k장을 선택하는 방법의 수는 nCk\displaystyle {}_{n}\mathrm C_k이고, k\displaystyle k개의 카드를 2\displaystyle 2개의 더미로 나누는 방법의 수는 더미 각각에 최소 한 장의 카드가 있어야 하고, 두 더미는 구분되지 않으므로 2k22\displaystyle \frac{2^k-2}2이다. 그러므로 k\displaystyle k장의 카드를 선택했을 때, 등록하는 방법의 수는 nCk×(2k11)\displaystyle {}_{n}\mathrm C_k\times(2^{k-1}-1)이다. 따라서 등록하는 방법의 수는k=2nnCk(2k11)=12(12n+k=0nnCk2k)(1n+k=0nnCk)=3n2n1+2+2n2n+12=3n2n+1+12\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=2}^n{}_{n}\mathrm C_k(2^{k-1}-1)&=\frac12\left(-1-2n+\sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm C_k2^k\right)-\left(-1-n+\sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm C_k\right)\\&=\frac{3^n-2n-1+2+2n-2^{n+1}}2=\frac{3^n-2^{n+1}+1}2\end{aligned}이다.

[3.3] 먼저 3\displaystyle 3장의 카드를 뽑았을 때 점수 획득을 위해서는 최소 2\displaystyle 2장의 카드를 이용해야 하고 등록한 카드는 다시 이용할 수 없기 때문에 획득 가능한 최대 점수는 1\displaystyle 1점이다. 즉 3\displaystyle 3장의 카드를 뽑았을 때 가능한 점수는 1\displaystyle 1점 혹은 0\displaystyle 0점이다.이제 1\displaystyle 1점을 얻을 수 있는 카드가 뽑힐 확률을 뽑은 카드 중 3\displaystyle 3의 배수인 카드의 개수에 따라 나누어서 생각하자.우선 3\displaystyle 3의 배수인 카드가 2\displaystyle 2장 이상인 경우에는 득점을 할 수 있는 등록 방법이 있다.(1) 3\displaystyle 3의 배수가 3\displaystyle 3장일 확률은 10C330C3\displaystyle \frac{{}_{10}\mathrm C_3}{{}_{30}\mathrm C_3}이다.(2) 3\displaystyle 3의 배수가 2\displaystyle 2장일 확률은 10C2×20C130C3\displaystyle \frac{{}_{10}\mathrm C_2\times{}_{20}\mathrm C_1}{{}_{30}\mathrm C_3}이다.(3) 3\displaystyle 3의 배수인 카드가 1\displaystyle 1장인 경우를 생각하자. 3\displaystyle 3의 배수를 제외한 2\displaystyle 2장의 카드는 문항 [3.1]의 풀이로부터 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 5\displaystyle 5이고, 다른 한 장은 6\displaystyle 6으로 나눈 나머지가 1,2,4\displaystyle 1,2,4이어야 한다. 따라서 이 경우 확률은 10C1×(5C1×15C1)30C3\displaystyle \frac{{}_{10}\mathrm C_1\times({}_{5}\mathrm C_1\times{}_{15}\mathrm C_1)}{{}_{30}\mathrm C_3}이다.(4) 카드 중 3\displaystyle 3의 배수인 수가 한 장도 없는 경우에는 점수를 얻는 등록 방법은 없다.따라서 구하는 확률은 (1)부터 (4)까지의 확률을 더해서 얻을 수 있으므로10C3+10C2×20C1+10C1×5C1×15C130C3=120+900+7505×29×28=12+90+7529×14=177406\displaystyle \frac{{}_{10}\mathrm C_3+{}_{10}\mathrm C_2\times{}_{20}\mathrm C_1+{}_{10}\mathrm C_1\times{}_{5}\mathrm C_1\times{}_{15}\mathrm C_1}{{}_{30}\mathrm C_3}=\frac{120+900+750}{5\times29\times28}=\frac{12+90+75}{29\times14}=\frac{177}{406}이다.결론적으로 얻을 수 있는 점수의 기댓값은1×177406+0×(1177406)=177406\displaystyle 1\times\frac{177}{406}+0\times\left(1-\frac{177}{406}\right)=\frac{177}{406}이다.

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