수리논술, 이게 다다.

자연계열 (1차) 1번

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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 (6,6)\displaystyle (6,6), 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 (56)4=0.482\displaystyle \left(\frac56\right)^4=0.482이므로 드 메레가 내기에서 이길 확률은 1−(56)4=0.518\displaystyle 1-\left(\frac56\right)^4=0.518이다.2개의 주사위를 24번 던지는 두 번째 방식의 내기에서 한 번도 (6,6)\displaystyle (6,6)이 나오지 않을 확률은 (3536)24=0.509\displaystyle \left(\frac{35}{36}\right)^{24}=0.509이므로 드 메레가 내기에서 이길 확률은 1−(3536)24=0.491\displaystyle 1-\left(\frac{35}{36}\right)^{24}=0.491이다. (각각의 확률은 반올림하여 소수점 셋째자리까지 표현함)

[나] 확률변수 X\displaystyle X가 가지는 값이 유한개이거나 자연수와 같이 셀 수 있을 때 그 확률변수 X\displaystyle X를 이산확률변수라고 한다. 이산확률변수 X\displaystyle X가 가지는 값이 x1,x2,⋯ ,xn\displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_n이고 X\displaystyle X가 이들 값을 가질 확률이 각각 p1,p2,⋯ ,pn\displaystyle p_1,p_2,\cdots,p_n일 때 이 대응관계를 나타내는 함수 P(X=xk)=pk\displaystyle \mathrm P(X=x_k)=p_k (k=1,2,⋯ ,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n)을 X\displaystyle X의 확률질량함수라고 한다. 이 경우 ∑k=1nxkpk\displaystyle \sum_{k=1}^n x_kp_k를 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값이라 하고 E(X)\displaystyle \mathrm E(X)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. 54,000,000×136+0×3536=1,500,000\displaystyle 54,000,000\times\frac1{36}+0\times\frac{35}{36}=1,500,000이므로 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 3536=0.972\displaystyle \frac{35}{36}=0.972이기 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 12×54,000,000=27,000,000\displaystyle \frac12\times54,000,000=27,000,000의 값을 갖고 그렇지 않으면 0의 값을 갖는 이산확률변수이다. 이때 만족도의 기댓값은 27,000,000×136+0×3536=750,000\displaystyle 27,000,000\times\frac1{36}+0\times\frac{35}{36}=750,000, 즉 75만원이어서 나는 100만원의 참가비를 내야 하는 이 게임에 참가하지 않는 편이 낫다는 결론에 이른다.

[라] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이는 ∫ab∣f(x)∣ dx\displaystyle \int_a^b|f(x)|\,dx이다.

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 (6,6)\displaystyle (6,6)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 x\displaystyle x를 선택할 수 있다. 주사위를 한 번 던져서 6이 나오면 마이클은 100달러를 그대로 보유한 채 추가로 800x\displaystyle 800x달러를 받고, 6이 나오지 않는다면 100x\displaystyle 100x달러를 지불해야 한다. 마이클의 만족도는 게임이 끝난 후 그가 보유한 달러 금액의 자연로그 값과 같을 때, 마이클이 만족도의 기댓값을 최대로 하려면 어떤 x\displaystyle x를 선택해야 하는지를 설명하시오.

【1-4】 이산확률변수 X\displaystyle X는 자연수 101,102,103,⋯ ,200\displaystyle 101,102,103,\cdots,200 중에서 임의로 하나를 택한 값이고, Y\displaystyle Y는 Y=100X\displaystyle Y=\frac{100}X으로 정의된 이산확률변수이다. 제시문 [나]와 [라]를 참고하여 부등식 ln⁡201101<E(Y)<ln⁡2\displaystyle \ln\frac{201}{101}<\mathrm E(Y)<\ln2가 성립함을 보이시오.

해설강의 준비중
1-1 · 통계적 확률, 수학적 확률의 의미와 확률의 기본 성질을 이해하는지를 평가한다.

【1-1】확률변수 X\displaystyle X가 2만 번 게임에서 서강이의 구슬이 늘어난 횟수라고 하면 모든 게임이 종료된 후 서강이는 2X\displaystyle 2X개의 구슬을 갖게 된다. 큰 수의 법칙에 의해 X20000\displaystyle \frac X{20000}은 각 게임에서 적어도 한 번 6이 나올 확률 0.518\displaystyle 0.518의 어림값이므로 X≃0.518×20,000=10,360\displaystyle X\simeq0.518\times20,000=10,360이다.따라서 모든 게임이 종료된 후 서강이는 대략 10,360×2=20,720\displaystyle 10,360\times2=20,720개의 구슬을 가지고 있게 된다.

1-2 · 여사건의 확률의 뜻을 알고, 이를 활용할 수 있는지를 평가한다.

【1-2】2개의 주사위를 25번 던지는 두 번째 방식의 내기에서한 번도 (6,6)\displaystyle (6,6)이 나오지 않을 확률은 (3536)25=(3536)24×3536\displaystyle \left(\frac{35}{36}\right)^{25}=\left(\frac{35}{36}\right)^{24}\times\frac{35}{36}이고,제시문으로부터 (3536)24=0.509<0.510\displaystyle \left(\frac{35}{36}\right)^{24}=0.509<0.510이므로, (3536)25=(3536)24×3536<0.510×3536<0.496\displaystyle \left(\frac{35}{36}\right)^{25}=\left(\frac{35}{36}\right)^{24}\times\frac{35}{36}<0.510\times\frac{35}{36}<0.496이다.따라서 드 메레가 내기에서 이길 확률은 1−(3536)25>1−0.496=0.504\displaystyle 1-\left(\frac{35}{36}\right)^{25}>1-0.496=0.504이다.그러므로 그 내기는 드 메레에게 불리하지 않다.

1-3 · 함수의 증가, 감소, 극대와 극소를 판정하고 설명할 수 있는지, 지수함수와 로그함수를 미분할 수 있는지, 이산확률변수의 기댓값(평균)을 구할 수 있는지를 평가한다.

【1-3】게임 종료 후 마이클의 보유 현금은 주사위가 6이 나오면 100(1+8x)\displaystyle 100(1+8x)달러이고 6이 나오지 않는 경우 100(1−x)\displaystyle 100(1-x)달러가 된다. 따라서 그의 만족도는 주사위가 6이 나오면 ln⁡(100(1+8x))\displaystyle \ln(100(1+8x))이고, 6이 나오지 않으면 ln⁡(100(1−x))\displaystyle \ln(100(1-x))의 값을 갖는 이산확률변수이다. 만족도의 기댓값을 x\displaystyle x의 함수로 나타내면 f(x)=16ln⁡(100(1+8x))+56ln⁡(100(1−x))\displaystyle f(x)=\frac16\ln(100(1+8x))+\frac56\ln(100(1-x))이고, 이 함수를 미분하면f′(x)=800600(1+8x)−500600(1−x)=86(1+8x)−56(1−x)=1−16x2(1+8x)(1−x)\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{800}{600(1+8x)}-\frac{500}{600(1-x)}=\frac8{6(1+8x)}-\frac5{6(1-x)}=\frac{1-16x}{2(1+8x)(1-x)}따라서 방정식 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0는 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 x=116\displaystyle x=\frac1{16}이라는 유일한 해를 갖는다.0<x<116\displaystyle 0<x<\frac1{16}일 때 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이고,116<x<1\displaystyle \frac1{16}<x<1일 때 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소함수이다.따라서 마이클이 0과 1사이의 실수 x=116\displaystyle x=\frac1{16}을 선택할 때 만족도의 기댓값은 최대가 된다.

1-4 · 구분구적법을 이해하고, 이를 이용하여 간단한 도형의 넓이와 부피를 구할 수 있는지, 함수 y=x−1\displaystyle y=x^{-1}의 부정적분과 정적분을 구할 수 있는지, 이산확률변수의 기댓값(평균)을 구할 수 있는지를 평가한다.

【1-4】X\displaystyle X가 각각의 수 n\displaystyle n (n=101,102,⋯ ,200\displaystyle n=101,102,\cdots,200)을 가질 확률은 모두 1100\displaystyle \frac1{100}로 동일하므로Y\displaystyle Y가 각각의 수 100n\displaystyle \frac{100}n을 가질 확률도 모두 1100\displaystyle \frac1{100}로 동일하고,따라서 Y\displaystyle Y의 확률질량함수는 P(Y=100n)=1100\displaystyle \mathrm P\left(Y=\frac{100}n\right)=\frac1{100} (n=101,102,⋯ ,200\displaystyle n=101,102,\cdots,200)이다.그러므로 E(Y)=∑n=101200100n1100=∑n=1012001n\displaystyle \mathrm E(Y)=\sum_{n=101}^{200}\frac{100}n\frac1{100}=\sum_{n=101}^{200}\frac1n이다.제시문 [라]에서 언급한 대로 ∫1002001x dx\displaystyle \int_{100}^{200}\frac1x\,dx는 y=1x\displaystyle y=\frac1x와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=100\displaystyle x=100, x=200\displaystyle x=200으로 둘러싸인 도형의 넓이다. ∑n=1012001n\displaystyle \sum_{n=101}^{200}\frac1n은 구간 [100,200]\displaystyle [100,200]을 100\displaystyle 100등분하여 밑변의 길이를 1\displaystyle 1로 하고 y=1x\displaystyle y=\frac1x의 아래에 완전히 포함되는 가장 큰 직사각형들의 넓이의 합이므로 ∑n=1012001n<∫1002001x dx\displaystyle \sum_{n=101}^{200}\frac1n<\int_{100}^{200}\frac1x\,dx이 성립한다.마찬가지로 ∑n=1012001n\displaystyle \sum_{n=101}^{200}\frac1n은 구간 [101,201]\displaystyle [101,201]을 100\displaystyle 100등분하여 밑변의 길이를 1\displaystyle 1로 하고 y=1x\displaystyle y=\frac1x을 완전히 포함하는 가장 작은 직사각형들의 넓이의 합이므로 ∫1012011x dx<∑n=1012001n\displaystyle \int_{101}^{201}\frac1x\,dx<\sum_{n=101}^{200}\frac1n이 성립한다.∫1012011x dx=ln⁡201101\displaystyle \int_{101}^{201}\frac1x\,dx=\ln\frac{201}{101}이고 ∫1002001x dx=ln⁡2\displaystyle \int_{100}^{200}\frac1x\,dx=\ln2이므로, ln⁡201101<E(Y)<ln⁡2\displaystyle \ln\frac{201}{101}<\mathrm E(Y)<\ln2이다.

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