수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[가] 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 미분가능할 때, [f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)\displaystyle [f(x)g(x)]^{\prime}=f^{\prime}(x)g(x)+f(x)g^{\prime}(x)이다.

[나] 서로 다른 n\displaystyle n개에서 순서를 생각하지 않고 r(0≤r≤n)\displaystyle r(0\le r\le n)개를 택하는 것을, n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 조합이라 하며, 이 조합의 수를 기호로 nCr=nPrr!=n!r!(n−r)!\displaystyle {}_nC_r=\frac{{}_nP_r}{r!}=\frac{n!}{r!(n-r)!}와 같이 나타낸다.

[다] 이산확률변수 X의 확률질량함수 P(X=xi)=pi(i=1,2,⋯ ,n)\displaystyle P(X=x_i)=p_i(i=1,2,\cdots,n)에 대하여 ∑i=1nxipi=x1p1+x2p2+⋯+xnpn\displaystyle \sum_{i=1}^n x_ip_i=x_1p_1+x_2p_2+\cdots+x_np_n를 확률변수 X의 기댓값이라고 한다.

제시문을 참고하여 다음 물음에 답하여라.

[3–1] x>0\displaystyle x>0에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가f(x)+xf′(x)=∫1x2ln⁡tt dt\displaystyle f(x)+xf^{\prime}(x)=\int_1^x\frac{2\ln t}t\,dt를 만족하고 f(1)=2\displaystyle f(1)=2일 때 f(x)\displaystyle f(x)를 구하여라.(제시문 [가] 참고)

[3–2] 함수 f(x)=xn\displaystyle f(x)=x^n(n\displaystyle n은 1\displaystyle 1보다 큰 자연수)라 하자. 임의의 a>0\displaystyle a>0에 대해 f(x)=xn\displaystyle f(x)=x^n의 그래프 위의 점 P(a,an)\displaystyle \mathrm P(a,a^n)에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 Q, 점 P에서의 접선에 수직인 직선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 R이라 하자.삼각형 PQR의 넓이를 A(a)\displaystyle A(a), 삼각형 PQR에 내접하는 원의 둘레의 길이를 B(a)\displaystyle B(a)라 할 때,극한값 lim⁡a→0+A(a)a⋅B(a)\displaystyle \lim_{a\to0+}\frac{A(a)}{a\cdot B(a)}을 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내어라.

아래 그림과 같이 점 O를 중심으로 원의 둘레가 12등분된 원 위의 점 P에 바둑돌이 있다.동전을 던져서 앞면이 나오면 시계 방향으로 1칸, 뒷면이 나오면 시계 반대 방향으로 1칸 바둑돌을 이동시킨다. 한 개의 동전을 n\displaystyle n번 던졌을 때, 바둑돌이 위치한 점을 Q라 하고 두 선분 OP, OQ가 이루는 각의 크기를 θ(θ=0,π6,2π6,⋯ ,6π6)\displaystyle \theta\left(\theta=0,\frac\pi6,\frac{2\pi}6,\cdots,\frac{6\pi}6\right)라 하자.

12등분한 원에서 동전에 따라 시계 또는 반시계 방향으로 움직이는 바둑돌

[3–3] 동전을 14번 (n=14)\displaystyle (n=14) 던졌을 때 θ=0\displaystyle \theta=0이 되는 경우의 수를 구하여라.

[3–4] 동전을 5번 (n=5)\displaystyle (n=5) 던졌을 때, sin⁡θ\displaystyle \sin\theta의 값을 확률변수 X라 하고 확률변수 X의 기댓값을 구하여라.

해설강의 준비중
3-1 · 함수의 곱의 미분법, 치환적분법 및 부분적분법을 이해하는지 평가한다.

[3–1] f(x)+xf′(x)={xf(x)}′\displaystyle f(x)+xf^{\prime}(x)=\{xf(x)\}^{\prime}이고 ∫1x2ln⁡tt dt=∫0ln⁡x2k dk=k2∣0ln⁡x=(ln⁡x)2\displaystyle \int_1^x\frac{2\ln t}t\,dt=\int_0^{\ln x}2k\,dk=\left.k^2\right|_0^{\ln x}=(\ln x)^2이다. 이때 ln⁡t=k\displaystyle \ln t=k로 치환하였다.따라서 {xf(x)}′=(ln⁡x)2\displaystyle \{xf(x)\}^{\prime}=(\ln x)^2이므로 양변을 적분하면 xf(x)=∫(ln⁡x)2 dx\displaystyle xf(x)=\int(\ln x)^2\,dx이다.부분적분을 두 번 이용하여 우변을 적분하면xf(x)=∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−∫x⋅2ln⁡x⋅1x dx=x(ln⁡x)2−2∫ln⁡x dx=x(ln⁡x)2−2(xln⁡x−∫x⋅1x dx)=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x+C\displaystyle \begin{aligned}xf(x)&=\int(\ln x)^2\,dx=x(\ln x)^2-\int x\cdot2\ln x\cdot\frac1x\,dx\\&=x(\ln x)^2-2\int\ln x\,dx=x(\ln x)^2-2\left(x\ln x-\int x\cdot\frac1x\,dx\right)\\&=x(\ln x)^2-2x\ln x+2x+C\end{aligned}이므로 f(x)=(ln⁡x)2−2ln⁡x+2+Cx\displaystyle f(x)=(\ln x)^2-2\ln x+2+\frac Cx이다. 또한 f(1)=2+C=2\displaystyle f(1)=2+C=2이므로 C=0\displaystyle C=0이다.그러므로 f(x)=(ln⁡x)2−2ln⁡x+2\displaystyle f(x)=(\ln x)^2-2\ln x+2이다.

3-2 · 미분계수와 접선의 기울기의 관계를 이해하고 함수의 극한을 구할 수 있는지 평가한다.

[3–2] 함수 f(x)=xn\displaystyle f(x)=x^n의 그래프 위의 점 P(a,an)\displaystyle \mathrm P(a,a^n)에서의 접선의 방정식은 y=nan−1(x−a)+an\displaystyle y=na^{n-1}(x-a)+a^n이므로 Q(a−an,0)\displaystyle \mathrm Q\left(a-\frac an,0\right)이다. 한편, 접선에 수직인 직선의 방정식은 y=−1nan−1(x−a)+an\displaystyle y=-\frac1{na^{n-1}}(x-a)+a^n이므로 R(a+na2n−1,0)\displaystyle \mathrm R(a+na^{2n-1},0)이다. 따라서l1=PQ‾=a2n2+a2n\displaystyle l_1=\overline{\mathrm{PQ}}=\sqrt{\frac{a^2}{n^2}+a^{2n}}, l2=QR‾=na2n−1+an\displaystyle l_2=\overline{\mathrm{QR}}=na^{2n-1}+\frac an, l3=RP‾=n2a4n−2+a2n\displaystyle l_3=\overline{\mathrm{RP}}=\sqrt{n^2a^{4n-2}+a^{2n}}이다.삼각형 PQR의 넓이는 l1l32=A(a)=r(l1+l2+l3)2\displaystyle \frac{l_1l_3}2=A(a)=\frac{r(l_1+l_2+l_3)}2이므로 r=l1l3l1+l2+l3=2A(a)l1+l2+l3\displaystyle r=\frac{l_1l_3}{l_1+l_2+l_3}=\frac{2A(a)}{l_1+l_2+l_3}이다.따라서 내접원의 둘레의 길이 B(a)=2πr=4πA(a)l1+l2+l3\displaystyle B(a)=2\pi r=\frac{4\pi A(a)}{l_1+l_2+l_3}이므로A(a)a⋅B(a)=l1+l2+l34πa\displaystyle \frac{A(a)}{a\cdot B(a)}=\frac{l_1+l_2+l_3}{4\pi a}이다.한편, l1+l2+l3=a2n−2+a2n+na2n−1+an−1+n2a4n−2+a2n=a[n−2+a2(n−1)+na2(n−1)+n−1+n2a4(n−1)+a2(n−1)]\displaystyle \begin{aligned}l_1+l_2+l_3&=\sqrt{a^2n^{-2}+a^{2n}}+na^{2n-1}+an^{-1}+\sqrt{n^2a^{4n-2}+a^{2n}}\\&=a\left[\sqrt{n^{-2}+a^{2(n-1)}}+na^{2(n-1)}+n^{-1}+\sqrt{n^2a^{4(n-1)}+a^{2(n-1)}}\right]\end{aligned}이고 n>1\displaystyle n>1이므로

곡선 위의 점 P의 접선과 법선이 만드는 삼각형 PQR과 내접원

lim⁡a→0+A(a)a⋅B(a)=14πlim⁡a→0+[n−2+a2(n−1)+na2(n−1)+n−1+n2a4(n−1)+a2(n−1)]=14π(n−2+n−1)=12πn\displaystyle \begin{aligned}\lim_{a\to0+}\frac{A(a)}{a\cdot B(a)}&=\frac1{4\pi}\lim_{a\to0+}\left[\sqrt{n^{-2}+a^{2(n-1)}}+na^{2(n-1)}+n^{-1}+\sqrt{n^2a^{4(n-1)}+a^{2(n-1)}}\right]\\&=\frac1{4\pi}(\sqrt{n^{-2}}+n^{-1})=\frac1{2\pi n}\end{aligned}이다.

3-3 · 조합의 뜻을 이해하고 조합의 수를 구할 수 있는지 평가한다.

[3–3] 동전을 14번 던졌을 때 앞면이 나온 횟수를 a\displaystyle a, 뒷면이 나온 횟수를 b\displaystyle b라 하자.당연히 a+b=14\displaystyle a+b=14를 만족해야 한다. θ=0\displaystyle \theta=0이기 위해서는 a=b\displaystyle a=b이거나 ∣a−b∣=12\displaystyle |a-b|=12이어야 한다.따라서i) a=b=7\displaystyle a=b=7인 경우: 14C7=3432\displaystyle {}_{14}C_7=3432ii) a,b\displaystyle a,b가 하나는 13, 나머지 하나는 1인 경우: 2⋅14C13=2⋅14=28\displaystyle 2\cdot{}_{14}C_{13}=2\cdot14=28그러므로 θ=0\displaystyle \theta=0이 되는 경우의 수는 3432+28=3460\displaystyle 3432+28=3460이다.

3-4 · 확률변수를 이해하고 조합을 이용한 이산확률변수의 기댓값을 구할 수 있는지 평가한다.

[3–4]

앞면의 횟수0\displaystyle 01\displaystyle 12\displaystyle 23\displaystyle 34\displaystyle 45\displaystyle 5
θ\displaystyle \theta5π6\displaystyle \frac{5\pi}6π2\displaystyle \frac\pi2π6\displaystyle \frac\pi6π6\displaystyle \frac\pi6π2\displaystyle \frac\pi25π6\displaystyle \frac{5\pi}6
X=sin⁡θ\displaystyle X=\sin\theta12\displaystyle \frac121\displaystyle 112\displaystyle \frac1212\displaystyle \frac121\displaystyle 112\displaystyle \frac12
경우의 수5C0\displaystyle {}_5C_05C1\displaystyle {}_5C_15C2\displaystyle {}_5C_25C3\displaystyle {}_5C_35C4\displaystyle {}_5C_45C5\displaystyle {}_5C_5

따라서 X=12\displaystyle X=\frac12일 확률 P(X=12)=5C0+5C2+5C3+5C525=2232\displaystyle P\left(X=\frac12\right)=\frac{{}_5C_0+{}_5C_2+{}_5C_3+{}_5C_5}{2^5}=\frac{22}{32}이고X=1\displaystyle X=1일 확률 P(X=1)=5C1+5C425=1032\displaystyle P(X=1)=\frac{{}_5C_1+{}_5C_4}{2^5}=\frac{10}{32}이다.그러므로 기댓값 E(X)=12⋅2232+1⋅1032=2132\displaystyle E(X)=\frac12\cdot\frac{22}{32}+1\cdot\frac{10}{32}=\frac{21}{32}이다.

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