수리논술, 이게 다다.

자연계열 2-1번

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문제

<가>좌석의 수가 100\displaystyle 100개인 극장에 관객 100\displaystyle 100명이 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 100\displaystyle 100번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 구해보자.

일반적으로 n\displaystyle n (n\displaystyle n은 2\displaystyle 2이상인 자연수)명의 관객과 n\displaystyle n개의 좌석이 있는 경우 위와 같은 상황에서 n\displaystyle n번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 구해보자. 편의상 n\displaystyle n명의 관객을 A1\displaystyle A_1, A2\displaystyle A_2, ⋯\displaystyle \cdots, An\displaystyle A_n, 이들의 극장표에 적혀있는 좌석을 각각 S1\displaystyle S_1, S2\displaystyle S_2, ⋯\displaystyle \cdots, Sn\displaystyle S_n이라 하고 마지막 n\displaystyle n번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 an\displaystyle a_n이라 하자. 먼저 n=2\displaystyle n=2일 때 그 확률은 12\displaystyle \frac12임을 쉽게 알 수 있다. 즉, a2=12\displaystyle a_2=\frac12이다. 이제 2\displaystyle 2이상인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an+1=an\displaystyle a_{n+1}=a_n임을 보이자. 이것은 마지막 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률이 관객의 수에 관계없이 일정함을 의미한다.

이를 위하여 관객의 수가 (n+1)\displaystyle (n+1)명이라 하고, 첫 번째 관객 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2이외의 자리를 선택할 경우와 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2를 선택할 경우로 나누어 생각하자. 먼저 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2를 선택하지 않는다면 두 번째 관객 A2\displaystyle A_2는 자신의 원래 자리 S2\displaystyle S_2에 앉게 되므로 두 번째 관객 A2\displaystyle A_2를 제외하고 생각할 수 있다. 따라서 이 경우에는 관객이 n\displaystyle n명일 때와 같은 상황이므로 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2를 선택하지 않고 An+1\displaystyle A_{n+1}이 Sn+1\displaystyle S_{n+1}에 앉을 확률은 nn+1an\displaystyle \frac n{n+1}a_n이다. 다음으로 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2를 선택하면, 두 번째 관객 A2\displaystyle A_2는 S2\displaystyle S_2를 제외하고 임의로 자리를 선택하여야 한다. 이 경우는 첫 번째 관객 A1\displaystyle A_1을 제외하고 두 번째 관객 A2\displaystyle A_2를 새로운 첫 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 n\displaystyle n명 있을 때와 같은 상황이므로 A1\displaystyle A_1이 S2\displaystyle S_2를 선택하고 An+1\displaystyle A_{n+1}이 Sn+1\displaystyle S_{n+1}에 앉을 확률은 1n+1an\displaystyle \frac1{n+1}a_n이 된다. 따라서 확률 an+1\displaystyle a_{n+1}을 구하면an+1=(nn+1an)+(1n+1an)=an\displaystyle a_{n+1}=\left(\frac n{n+1}a_n\right)+\left(\frac1{n+1}a_n\right)=a_n이다. 그러므로 관객 100\displaystyle 100명이 있을 때 100\displaystyle 100번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은a100=a99=⋯=a2=12\displaystyle a_{100}=a_{99}=\cdots=a_2=\frac12이다.

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) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우,(ii) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않고 A2\displaystyle A_2가 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우,(iii) A1\displaystyle A_1과 A2\displaystyle A_2가 모두 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않은 경우로 나누어서 위와 같은 방법으로 증명할 수 있다.

2-1. <가>의 ①에서 제시된 증명을 완성하고, 관객의 수가 100\displaystyle 100명일 때의 확률을 구하시오. 즉, 마지막 n\displaystyle n번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 bn\displaystyle b_n이라 할 때, 3\displaystyle 3이상인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 bn+1=bn\displaystyle b_{n+1}=b_n임을 보이고 b100\displaystyle b_{100}을 구하시오.

해설강의 준비중

■ 2-1편의상 n\displaystyle n명의 관객을 A1\displaystyle A_1, A2\displaystyle A_2, ⋯\displaystyle \cdots, An\displaystyle A_n이라 하고 이들의 극장표에 적혀있는 좌석을 각각 S1\displaystyle S_1, S2\displaystyle S_2, ⋯\displaystyle \cdots, Sn\displaystyle S_n이라 하자. 그리고 마지막 n\displaystyle n번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률을 bn\displaystyle b_n이라 하자. 먼저 n=3\displaystyle n=3일 때 그 확률 b3\displaystyle b_3을 구해보자. 3자리 중에서 A1\displaystyle A_1, A2\displaystyle A_2가 임의로 앉을 경우의 수는 3P2=6\displaystyle {}_{3}\mathrm{P}_{2}=6이고, A3\displaystyle A_3가 자신의 자리 S3\displaystyle S_3에 앉기 위해서는 A1\displaystyle A_1과 A2\displaystyle A_2가 각각 자신의 자리에 앉거나 서로 바꿔 앉는 경우 두 가지가 있으므로 b3=13\displaystyle b_3=\frac13이 된다.

이제 모든 자연수 n≥3\displaystyle n\ge3에 대하여 bn+1=bn\displaystyle b_{n+1}=b_n임을 보이자. 즉, 마지막 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은 관객의 수에 관계없이 일정함을 보이자. 관객의 수가 (n+1)\displaystyle (n+1)명이라 하고, (i) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우, (ii) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않고 A2\displaystyle A_2가 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우, (iii) A1\displaystyle A_1과 A2\displaystyle A_2가 모두 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않은 경우로 나누어서 생각한다.

(i) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우:이 경우는 세 번째 관객 A3\displaystyle A_3은 임의로 자신의 자리를 선택하여야 한다. 따라서 A1\displaystyle A_1은 제외하고 A2\displaystyle A_2와 A3\displaystyle A_3을 각각 새로운 첫 번째 두 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 n\displaystyle n명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택하고 An+1\displaystyle A_{n+1}이 Sn+1\displaystyle S_{n+1}에 앉을 확률은 1n+1bn\displaystyle \frac1{n+1}b_n이다.

(ii) A1\displaystyle A_1이 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않고 A2\displaystyle A_2가 S3\displaystyle S_3을 선택한 경우:이 경우에도 마찬가지로 세 번째 관객 A3\displaystyle A_3은 임의로 자리를 선택하여야 하므로 A2\displaystyle A_2를 제외하고 A1\displaystyle A_1과 A3\displaystyle A_3을 각각 새로운 첫 번째 두 번째 관객으로 바꾸어 생각하면 관객이 n\displaystyle n명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 A1\displaystyle A_1은 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않고 A2\displaystyle A_2는 S3\displaystyle S_3을 선택하며 An+1\displaystyle A_{n+1}이 Sn+1\displaystyle S_{n+1}에 앉을 확률은 (nn+1)(1n)bn\displaystyle \left(\frac n{n+1}\right)\left(\frac1n\right)b_n이다.

(iii) A1\displaystyle A_1과 A2\displaystyle A_2가 모두 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않은 경우:이 경우에는 A3\displaystyle A_3은 자신의 원래 자리에 앉게 되므로 A3\displaystyle A_3을 제외하고 생각하면 관객이 n\displaystyle n명 있을 때와 상황이 같아진다. 따라서 A1\displaystyle A_1과 A2\displaystyle A_2가 모두 S3\displaystyle S_3을 선택하지 않고 An+1\displaystyle A_{n+1}이 Sn+1\displaystyle S_{n+1}에 앉을 확률은 (nn+1)(n−1n)bn\displaystyle \left(\frac n{n+1}\right)\left(\frac{n-1}n\right)b_n이다.

따라서 확률 bn+1\displaystyle b_{n+1}을 구하면bn+1=(1n+1)bn+(nn+1)(1n)bn+(nn+1)(n−1n)bn=bn\displaystyle b_{n+1}=\left(\frac1{n+1}\right)b_n+\left(\frac n{n+1}\right)\left(\frac1n\right)b_n+\left(\frac n{n+1}\right)\left(\frac{n-1}n\right)b_n=b_n이다. 그러므로 관객 100\displaystyle 100명이 있을 때 100\displaystyle 100번째 관객이 자신의 원래 자리에 앉을 확률은b100=b99=⋯=b3=13\displaystyle b_{100}=b_{99}=\cdots=b_3=\frac13이다.

[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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