서강대 2018학년도 수시 자연계열 (1차) 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2018su/jayeon1_1
문제
[가] 17세기 프랑스의 귀족이자 도박사인 슈발리에 드 메레는 1개의 주사위를 4번 던졌을 때 적어도 한 번 6이 나온다는 것에 반복적으로 내기를 걸었고 그 결과로 꾸준히 돈을 벌었다. 그 후 드 메레는 게임의 규칙을 바꿔 2개의 주사위를 24번 던졌을 때 적어도 한 번 , 즉 두 주사위가 모두 6이 나오는 것에 반복적으로 내기를 걸었는데, 그 결과 예상과 달리 지속적으로 돈을 잃었다. 그는 첫 번째 방식의 내기와 두 번째 방식의 내기에서 자신이 이길 확률이 같다고 생각했는데, 게임을 반복할수록 첫 번째 내기에서는 돈을 벌고 두 번째 내기에서는 돈을 잃는 상황이 납득되지 않아 친구이자 수학자인 블레즈 파스칼에게 그 이유를 알려달라고 부탁했다. 파스칼은 동료 수학자인 페르마와 토론한 후 드 메레의 질문에 올바로 답할 수 있었다. 파스칼의 설명을 정리하면 다음과 같다.1개의 주사위를 4번 던지는 첫 번째 방식의 내기에서 한 번도 6이 나오지 않을 확률은 이므로 드 메레가 내기에서 이길 확률은 이다.2개의 주사위를 24번 던지는 두 번째 방식의 내기에서 한 번도 이 나오지 않을 확률은 이므로 드 메레가 내기에서 이길 확률은 이다. (각각의 확률은 반올림하여 소수점 셋째자리까지 표현함)
[나] 확률변수 가 가지는 값이 유한개이거나 자연수와 같이 셀 수 있을 때 그 확률변수 를 이산확률변수라고 한다. 이산확률변수 가 가지는 값이 이고 가 이들 값을 가질 확률이 각각 일 때 이 대응관계를 나타내는 함수 ()을 의 확률질량함수라고 한다. 이 경우 를 확률변수 의 기댓값이라 하고 로 나타낸다.
[다] 나는 참가비용이 100만원인 어떤 게임에 참가할 선택권이 있다. 이 게임은 참가비용을 지불하고 주사위 2개를 던져서 모두 6이 나오면 상금 5천4백만원을 받고 그렇지 않으면 아무 것도 받지 못하는 규칙을 갖고 있다. 이므로 내가 이 게임에 참가했을 때 받게 되는 상금의 기댓값은 150만원이고, 참가비용의 1.5배에 해당되는 금액이다. 그런 이유로 이 게임의 참가는 내게 유리할 거라고 생각할 수도 있지만, 게임에 참가했을 때 참가비용 100만원을 모두 잃을 확률이 1에 아주 가까운 이기 때문에 나는 이 게임의 참가를 주저하게 된다. 실제로 18세기의 수학자이자 물리학자인 다니엘 베르누이는 동일한 기댓값을 갖더라도 발생확률이 작은 사건이 주는 만족도는 작아진다고 주장한 바 있었다. 만일 나의 만족도를 수치로 표시할 수 있고 이 게임에서 얻는 만족도가 상금액의 절반이라면, 만족도는 주사위 2개를 던져서 모두 6이 나오는 경우 의 값을 갖고 그렇지 않으면 0의 값을 갖는 이산확률변수이다. 이때 만족도의 기댓값은 , 즉 75만원이어서 나는 100만원의 참가비를 내야 하는 이 게임에 참가하지 않는 편이 낫다는 결론에 이른다.
[라] 함수 가 구간 에서 연속일 때 곡선 와 축 및 두 직선 , 로 둘러싸인 도형의 넓이는 이다.
제시문 [가]~[라]를 참고하여 다음 물음에 답하시오. (글자 제한 없음)
【1-1】 서강이는 2만 개의 구슬을 가지고 있고, 제시문 [가]에서 언급한 1개의 주사위를 4번 던지는 게임을 2만 번 반복해서 시행하려 한다. 각 게임에서 적어도 한 번 6이 나오면 서강이가 가진 구슬은 1개 늘어나고 그렇지 않으면 구슬 1개가 줄어드는 방식이다. 게임의 총 횟수 2만 번이 ‘큰수의 법칙’을 사용할 수 있을 만큼 충분히 큰 수라고 가정할 때, 모든 게임이 종료된 후 서강이는 대략 몇 개의 구슬을 가지고 있게 될지 설명하시오.
【1-2】 제시문 [가]에서 드 메레가 두 번째 내기의 규칙을 바꿔 2개의 주사위를 25번 던졌을 때 적어도 한 번 이 나오는 것에 내기를 걸었다고 하자. 그 내기가 드 메레에게 불리하지 않은 이유를 설명하시오.
【1-3】 마이클은 100달러를 가지고 주사위 던지기 게임에 참가한다. 그는 0과 1사이의 실수 를 선택할 수 있다. 주사위를 한 번 던져서 6이 나오면 마이클은 100달러를 그대로 보유한 채 추가로 달러를 받고, 6이 나오지 않는다면 달러를 지불해야 한다. 마이클의 만족도는 게임이 끝난 후 그가 보유한 달러 금액의 자연로그 값과 같을 때, 마이클이 만족도의 기댓값을 최대로 하려면 어떤 를 선택해야 하는지를 설명하시오.
【1-4】 이산확률변수 는 자연수 중에서 임의로 하나를 택한 값이고, 는 으로 정의된 이산확률변수이다. 제시문 [나]와 [라]를 참고하여 부등식 가 성립함을 보이시오.
서강대 2018학년도 수시 자연계열 (1차) 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2018su/jayeon1_1
【1-1】확률변수 가 2만 번 게임에서 서강이의 구슬이 늘어난 횟수라고 하면 모든 게임이 종료된 후 서강이는 개의 구슬을 갖게 된다. 큰 수의 법칙에 의해 은 각 게임에서 적어도 한 번 6이 나올 확률 의 어림값이므로 이다.따라서 모든 게임이 종료된 후 서강이는 대략 개의 구슬을 가지고 있게 된다.
【1-2】2개의 주사위를 25번 던지는 두 번째 방식의 내기에서한 번도 이 나오지 않을 확률은 이고,제시문으로부터 이므로, 이다.따라서 드 메레가 내기에서 이길 확률은 이다.그러므로 그 내기는 드 메레에게 불리하지 않다.
【1-3】게임 종료 후 마이클의 보유 현금은 주사위가 6이 나오면 달러이고 6이 나오지 않는 경우 달러가 된다. 따라서 그의 만족도는 주사위가 6이 나오면 이고, 6이 나오지 않으면 의 값을 갖는 이산확률변수이다. 만족도의 기댓값을 의 함수로 나타내면 이고, 이 함수를 미분하면따라서 방정식 는 열린구간 에서 이라는 유일한 해를 갖는다.일 때 이므로 는 증가함수이고,일 때 이므로 는 감소함수이다.따라서 마이클이 0과 1사이의 실수 을 선택할 때 만족도의 기댓값은 최대가 된다.
【1-4】가 각각의 수 ()을 가질 확률은 모두 로 동일하므로가 각각의 수 을 가질 확률도 모두 로 동일하고,따라서 의 확률질량함수는 ()이다.그러므로 이다.제시문 [라]에서 언급한 대로 는 와 축 및 두 직선 , 으로 둘러싸인 도형의 넓이다. 은 구간 을 등분하여 밑변의 길이를 로 하고 의 아래에 완전히 포함되는 가장 큰 직사각형들의 넓이의 합이므로 이 성립한다.마찬가지로 은 구간 을 등분하여 밑변의 길이를 로 하고 을 완전히 포함하는 가장 작은 직사각형들의 넓이의 합이므로 이 성립한다.이고 이므로, 이다.
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