숙명여대 2017학년도 수시 자연계열 2-1번 · mathesis.kr/archive/sookmyung/2017su/jayeon_2_1
문제
<가>좌석의 수가 개인 극장에 관객 명이 차례로 입장하여 자리에 앉는다고 하자. 단, 한 좌석에는 한 사람만 앉을 수 있다. 첫 번째 관객은 극장표를 잃어버려 자신의 자리가 어디인지 몰라 임의로 자리를 선택해서 앉기로 하고, 두 번째 관객부터는 자신의 자리가 비어있으면 그 자리에 앉고 이미 누군가가 앉아있으면 임의로 다른 자리를 선택해서 앉는다고 하자. 이럴 경우 마지막 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 구해보자.
일반적으로 (은 이상인 자연수)명의 관객과 개의 좌석이 있는 경우 위와 같은 상황에서 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 구해보자. 편의상 명의 관객을 , , , , 이들의 극장표에 적혀있는 좌석을 각각 , , , 이라 하고 마지막 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 이라 하자. 먼저 일 때 그 확률은 임을 쉽게 알 수 있다. 즉, 이다. 이제 이상인 자연수 에 대하여 임을 보이자. 이것은 마지막 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률이 관객의 수에 관계없이 일정함을 의미한다.
이를 위하여 관객의 수가 명이라 하고, 첫 번째 관객 이 이외의 자리를 선택할 경우와 이 를 선택할 경우로 나누어 생각하자. 먼저 이 를 선택하지 않는다면 두 번째 관객 는 자신의 원래 자리 에 앉게 되므로 두 번째 관객 를 제외하고 생각할 수 있다. 따라서 이 경우에는 관객이 명일 때와 같은 상황이므로 이 를 선택하지 않고 이 에 앉을 확률은 이다. 다음으로 이 를 선택하면, 두 번째 관객 는 를 제외하고 임의로 자리를 선택하여야 한다. 이 경우는 첫 번째 관객 을 제외하고 두 번째 관객 를 새로운 첫 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 명 있을 때와 같은 상황이므로 이 를 선택하고 이 에 앉을 확률은 이 된다. 따라서 확률 을 구하면이다. 그러므로 관객 명이 있을 때 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은이다.
①한편 첫 두 명의 관객이 극장표를 잃어버린 경우는 어떻게 될까? 즉, 첫 번째 관객과 두 번째 관객이 극장표를 잃어버려 그 둘은 차례로 자리를 임의로 선택해서 앉고, 그 이후부터는 자신의 자리가 비어있으면 그 자리에 앉고 이미 누군가가 앉아있으면 임의로 다른 자리를 선택해서 앉는다고 하자. 이 경우에도 마지막 관객이 자기 자리에 앉을 확률이 관객의 수와 관계없이 일정함을(i) 이 을 선택한 경우,(ii) 이 을 선택하지 않고 가 을 선택한 경우,(iii) 과 가 모두 을 선택하지 않은 경우로 나누어서 위와 같은 방법으로 증명할 수 있다.
2-1. <가>의 ①에서 제시된 증명을 완성하고, 관객의 수가 명일 때의 확률을 구하시오. 즉, 마지막 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 이라 할 때, 이상인 자연수 에 대하여 임을 보이고 을 구하시오.
숙명여대 2017학년도 수시 자연계열 2-1번 · mathesis.kr/archive/sookmyung/2017su/jayeon_2_1
■ 2-1편의상 명의 관객을 , , , 이라 하고 이들의 극장표에 적혀있는 좌석을 각각 , , , 이라 하자. 그리고 마지막 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 이라 하자. 먼저 일 때 그 확률 을 구해보자. 3자리 중에서 , 가 임의로 앉을 경우의 수는 이고, 가 자신의 자리 에 앉기 위해서는 과 가 각각 자신의 자리에 앉거나 서로 바꿔 앉는 경우 두 가지가 있으므로 이 된다.
이제 모든 자연수 에 대하여 임을 보이자. 즉, 마지막 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은 관객의 수에 관계없이 일정함을 보이자. 관객의 수가 명이라 하고, (i) 이 을 선택한 경우, (ii) 이 을 선택하지 않고 가 을 선택한 경우, (iii) 과 가 모두 을 선택하지 않은 경우로 나누어서 생각한다.
(i) 이 을 선택한 경우:이 경우는 세 번째 관객 은 임의로 자신의 자리를 선택하여야 한다. 따라서 은 제외하고 와 을 각각 새로운 첫 번째 두 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 이 을 선택하고 이 에 앉을 확률은 이다.
(ii) 이 을 선택하지 않고 가 을 선택한 경우:이 경우에도 마찬가지로 세 번째 관객 은 임의로 자리를 선택하여야 하므로 를 제외하고 과 을 각각 새로운 첫 번째 두 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 은 을 선택하지 않고 는 을 선택하며 이 에 앉을 확률은 이다.
(iii) 과 가 모두 을 선택하지 않은 경우:이 경우에는 은 자신의 원래 자리에 앉게 되므로 을 제외하고 생각하면 관객이 명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 과 가 모두 을 선택하지 않고 이 에 앉을 확률은 이다.
따라서 확률 을 구하면이다. 그러므로 관객 명이 있을 때 번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은이다.
[계열문항] 채점기준 — 답안 구성요소
확률은 사건이 일어나는 정도에 대하여 공부하는 수학의 한 분야이다. 확률은 일기예보, 보험 등 광범위한 분야에서 널리 활용된다. 함수, 미분, 도형 등은 수학을 비롯한 자연과학, 사회과학 등 제반 학문에 기본으로 사용되는 필수 불가결한 도구이다. 본 문항들은 수학I, 수학II, 미적분I, 미적분II, 확률과 통계, 기하와 벡터 등 고등학교에서 배우는 대부분의 수학 교과들로부터의 이해를 바탕으로 한다. 따라서 본 문항들을 통해 학생들이 제시문들을 읽고 확률, 극대극소, 원과 직선과의 관계, 좌표공간에 대한 풀이과정을 논리적으로 전개할 수 있는지를 평가한다.
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