수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후) 2번

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문제

문제 2-1 [10점]자연수 n\displaystyle n에 대하여 다항함수 fn(x)\displaystyle f_n(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) f1(x)=1\displaystyle f_1(x)=1(나) 2\displaystyle 2 이상의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 ∫0xfn(t) dt=x2n−1∫0xfn−1(t) dt\displaystyle \int_0^xf_n(t)\,dt=x^{2n-1}\int_0^xf_{n-1}(t)\,dt

(1) Fn(x)=∫0xfn(t) dt\displaystyle F_n(x)=\int_0^xf_n(t)\,dt라 할 때, Fn(x)\displaystyle F_n(x)를 구하시오.(2) ∑n=210log⁡2{fn(1)}2fn′(1)\displaystyle \sum_{n=2}^{10}\log_2\frac{\{f_n(1)\}^2}{f_n^{\prime}(1)}의 값을 구하시오.

문제 2-2 [10점]다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 자연수 n\displaystyle n에 대하여nCr−1+nCr=n+1Cr(단, 1≤r≤n)\displaystyle {}_n\mathrm{C}_{r-1}+{}_n\mathrm{C}_r={}_{n+1}\mathrm{C}_r\quad(\text{단, }1\le r\le n)(나) 음이 아닌 정수 m\displaystyle m에 대하여 부등식x+y+z≤m\displaystyle x+y+z\le m을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수를 N(m)\displaystyle N(m)이라 하자.

(1) N(m)=m+3C3\displaystyle N(m)={}_{m+3}\mathrm{C}_3임을 보이시오.(2) ∑m=016N(m)=20Ck\displaystyle \sum_{m=0}^{16}N(m)={}_{20}\mathrm{C}_k를 만족시키는 자연수 k\displaystyle k의 값을 모두 구하시오.

문제 2-3 [10점]두 상자 A,B\displaystyle A,B에 숫자가 적힌 카드가 각각 6\displaystyle 6개씩 들어 있다. 상자 A\displaystyle A에는 숫자 1,2,3\displaystyle 1,2,3이 적힌 카드가 각각 1\displaystyle 1개, 2\displaystyle 2개, 3\displaystyle 3개 들어 있고, 상자 B\displaystyle B에는 숫자 1,2,3\displaystyle 1,2,3이 적힌 카드가 각각 a\displaystyle a개, b\displaystyle b개, c\displaystyle c개 들어 있다. (단, a≥0, b≥0, c≥0\displaystyle a\ge0,\ b\ge0,\ c\ge0) 두 학생 창의와 실천이가 창의는 상자 A\displaystyle A에서, 실천이는 상자 B\displaystyle B에서 각각 임의로 카드를 1\displaystyle 1장씩 꺼낼 때, 다음과 같은 규칙을 따른다.

(가) 두 학생이 꺼낸 카드에 적힌 두 수가 서로 다르면 창의가, 같으면 실천이가 이기기로 한다.(나) 이기는 사람은 자신이 꺼낸 카드에 적힌 수만큼 점수를 얻고, 지는 사람은 점수를 얻지 못한다.

창의와 실천이가 얻는 점수를 각각 확률변수 X,Y\displaystyle X,Y라 하자. 확률변수 Y\displaystyle Y의 평균 E(Y)\displaystyle E(Y)가 E(Y)=1318\displaystyle E(Y)=\frac{13}{18}일 때, 창의가 이길 확률 p\displaystyle p에 대하여 6p+V(18X+5)\displaystyle 6p+V(18X+5)의 값을 구하시오. (단, V(X)\displaystyle V(X)는 확률변수 X\displaystyle X의 분산이다.)

해설강의 준비중

문제 2-1(1) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Fn(x)=∫0xfn(t) dt\displaystyle F_n(x)=\int_0^xf_n(t)\,dt이고 조건 (가)에서 f1(x)=1\displaystyle f_1(x)=1이므로F1(x)=∫0xf1(t) dt=∫0x1 dt=x\displaystyle F_1(x)=\int_0^xf_1(t)\,dt=\int_0^x1\,dt=x조건 (나)에서 ∫0xfn(t) dt=x2n−1∫0xfn−1(t) dt\displaystyle \int_0^xf_n(t)\,dt=x^{2n-1}\int_0^xf_{n-1}(t)\,dt는 Fn(x)=x2n−1Fn−1(x)\displaystyle F_n(x)=x^{2n-1}F_{n-1}(x) (단, n≥2\displaystyle n\ge2인 자연수)이므로Fn(x)=x2n−1Fn−1(x)=x2n−1×x2n−3Fn−2(x)=x2n−1×x2n−3×x2n−5Fn−3(x)⋮=x2n−1×x2n−3×x2n−5×⋯×x3F1(x)=xn2−1×F1(x)\displaystyle \begin{aligned}F_n(x)&=x^{2n-1}F_{n-1}(x)\\&=x^{2n-1}\times x^{2n-3}F_{n-2}(x)\\&=x^{2n-1}\times x^{2n-3}\times x^{2n-5}F_{n-3}(x)\\&\qquad\vdots\\&=x^{2n-1}\times x^{2n-3}\times x^{2n-5}\times\cdots\times x^3F_1(x)\\&=x^{n^2-1}\times F_1(x)\end{aligned}이때 F1(x)=x\displaystyle F_1(x)=x이므로 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Fn(x)=xn2\displaystyle F_n(x)=x^{n^2}

(2) Fn(x)=∫0xfn(t) dt\displaystyle F_n(x)=\int_0^xf_n(t)\,dt에서 Fn′(x)=fn(x)\displaystyle F_n^{\prime}(x)=f_n(x)이므로 fn(x)=n2xn2−1\displaystyle f_n(x)=n^2x^{n^2-1}이고 fn′(x)=n2(n2−1)xn2−2\displaystyle f_n^{\prime}(x)=n^2(n^2-1)x^{n^2-2}이다.따라서 fn(1)=n2, fn′(1)=n2(n2−1)\displaystyle f_n(1)=n^2,\ f_n^{\prime}(1)=n^2(n^2-1)∑n=210log⁡2{fn(1)}2fn′(1)=∑n=210log⁡2(n2)2n2(n2−1)=∑n=210log⁡2n2n2−1=∑n=210log⁡2n2(n−1)(n+1)=log⁡2221×3+log⁡2322×4+⋯+log⁡21029×11=log⁡2(2×21×3×3×32×4×4×43×5×⋯×10×109×11)=log⁡22011\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=2}^{10}\log_2\frac{\{f_n(1)\}^2}{f_n^{\prime}(1)}&=\sum_{n=2}^{10}\log_2\frac{(n^2)^2}{n^2(n^2-1)}\\&=\sum_{n=2}^{10}\log_2\frac{n^2}{n^2-1}\\&=\sum_{n=2}^{10}\log_2\frac{n^2}{(n-1)(n+1)}\\&=\log_2\frac{2^2}{1\times3}+\log_2\frac{3^2}{2\times4}+\cdots+\log_2\frac{10^2}{9\times11}\\&=\log_2\left(\frac{2\times2}{1\times3}\times\frac{3\times3}{2\times4}\times\frac{4\times4}{3\times5}\times\cdots\times\frac{10\times10}{9\times11}\right)\\&=\log_2\frac{20}{11}\end{aligned}

문제 2-2(1) 부등식 x+y+z≤m\displaystyle x+y+z\le m을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)는 x+y+z\displaystyle x+y+z의 값에 따라 각 경우로 나누면 다음과 같다.(ⅰ) x+y+z=0\displaystyle x+y+z=0을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)는 (0,0,0)\displaystyle (0,0,0)이므로 1\displaystyle 1개(ⅱ) x+y+z=1\displaystyle x+y+z=1을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 서로 다른 3\displaystyle 3개에서 1\displaystyle 1개를 택하는 중복조합의 수와 같으므로 3H1=3+1−1C1=3C1\displaystyle {}_3\mathrm{H}_1={}_{3+1-1}\mathrm{C}_1={}_3\mathrm{C}_1(ⅲ) x+y+z=2\displaystyle x+y+z=2를 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 서로 다른 3\displaystyle 3개에서 2\displaystyle 2개를 택하는 중복조합의 수와 같으므로 3H2=3+2−1C2=4C2\displaystyle {}_3\mathrm{H}_2={}_{3+2-1}\mathrm{C}_2={}_4\mathrm{C}_2(ⅳ) x+y+z=3\displaystyle x+y+z=3을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 서로 다른 3\displaystyle 3개에서 3\displaystyle 3개를 택하는 중복조합의 수와 같으므로 3H3=3+3−1C3=5C3\displaystyle {}_3\mathrm{H}_3={}_{3+3-1}\mathrm{C}_3={}_5\mathrm{C}_3⋮같은 방법으로 x+y+z=m\displaystyle x+y+z=m을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 서로 다른 3\displaystyle 3개에서 m\displaystyle m개를 택하는 중복조합의 수와 같으므로 3Hm=3+m−1Cm=m+2Cm\displaystyle {}_3\mathrm{H}_m={}_{3+m-1}\mathrm{C}_m={}_{m+2}\mathrm{C}_m

그러므로 부등식 x+y+z≤m\displaystyle x+y+z\le m을 만족시키는 음이 아닌 정수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수 N(m)\displaystyle N(m)은N(m)=1+3C1+4C2+5C3+⋯+m+2Cm=3C0+3C1+4C2+5C3+⋯+m+2Cm=4C1+4C2+5C3+⋯+m+2Cm=5C2+5C3+⋯+m+2Cm⋮=m+2Cm−1+m+2Cm=m+3Cm=m+3C3\displaystyle \begin{aligned}N(m)&=1+{}_3\mathrm{C}_1+{}_4\mathrm{C}_2+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{m+2}\mathrm{C}_m\\&={}_3\mathrm{C}_0+{}_3\mathrm{C}_1+{}_4\mathrm{C}_2+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{m+2}\mathrm{C}_m\\&={}_4\mathrm{C}_1+{}_4\mathrm{C}_2+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{m+2}\mathrm{C}_m\\&={}_5\mathrm{C}_2+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{m+2}\mathrm{C}_m\\&\qquad\vdots\\&={}_{m+2}\mathrm{C}_{m-1}+{}_{m+2}\mathrm{C}_m\\&={}_{m+3}\mathrm{C}_m={}_{m+3}\mathrm{C}_3\end{aligned}

(2) 문제(1)에 의하여∑m=016N(m)=∑m=016m+3C3=3C3+4C3+5C3+⋯+19C3=4C4+4C3+5C3+⋯+19C3=5C4+5C3+⋯+19C3=6C4+⋯+19C3⋮=19C4+19C3=20C4\displaystyle \begin{aligned}\sum_{m=0}^{16}N(m)&=\sum_{m=0}^{16}{}_{m+3}\mathrm{C}_3\\&={}_3\mathrm{C}_3+{}_4\mathrm{C}_3+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{19}\mathrm{C}_3\\&={}_4\mathrm{C}_4+{}_4\mathrm{C}_3+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{19}\mathrm{C}_3\\&={}_5\mathrm{C}_4+{}_5\mathrm{C}_3+\cdots+{}_{19}\mathrm{C}_3\\&={}_6\mathrm{C}_4+\cdots+{}_{19}\mathrm{C}_3\\&\qquad\vdots\\&={}_{19}\mathrm{C}_4+{}_{19}\mathrm{C}_3\\&={}_{20}\mathrm{C}_4\end{aligned}따라서 ∑m=016N(m)=20Ck=20C4=20C16\displaystyle \sum_{m=0}^{16}N(m)={}_{20}\mathrm{C}_k={}_{20}\mathrm{C}_4={}_{20}\mathrm{C}_{16}이므로 k=4\displaystyle k=4 또는 k=16\displaystyle k=16이다.

문제 2-3상자 B\displaystyle B에는 숫자 1,2,3\displaystyle 1,2,3이 적힌 카드의 개수가 각각 a\displaystyle a개, b\displaystyle b개, c\displaystyle c개 들어있으므로a+b+c=6(a≥0, b≥0, c≥0)\displaystyle a+b+c=6\quad(a\ge0,\ b\ge0,\ c\ge0) ⋯⋯㉠창의가 이길 확률이 p\displaystyle p이므로 실천이가 점수를 얻지 못할 확률이 p\displaystyle p이고 실천이가 이기기 위해서는 두 학생이 꺼낸 카드에 적힌 두 수가 서로 같아야 하므로 확률변수 Y\displaystyle Y의 확률분포를 표로 나타내면 다음과 같다.

Y\displaystyle Y0\displaystyle 01\displaystyle 12\displaystyle 23\displaystyle 3계
P(Y=y)\displaystyle P(Y=y)p\displaystyle pa6×16\displaystyle \frac a6\times\frac16b6×26\displaystyle \frac b6\times\frac26c6×36\displaystyle \frac c6\times\frac361\displaystyle 1

E(Y)=(0×p)+(a6×16)+2(b6×26)+3(c6×36)=a+4b+9c36=1318\displaystyle E(Y)=(0\times p)+(\frac a6\times\frac16)+2(\frac b6\times\frac26)+3(\frac c6\times\frac36)=\frac{a+4b+9c}{36}=\frac{13}{18}이므로a+4b+9c=26\displaystyle a+4b+9c=26 ⋯⋯㉡음이 아닌 정수 a,b,c\displaystyle a,b,c는 ㉠, ㉡을 만족하므로 a=1,b=4,c=1\displaystyle a=1,b=4,c=1이다. 따라서 창의가 이길 확률은p=1−{(16×16)+(46×26)+(16×36)}=1−13=23\displaystyle p=1-\{(\frac16\times\frac16)+(\frac46\times\frac26)+(\frac16\times\frac36)\}=1-\frac13=\frac23창의가 이기기 위해서는 두 학생이 꺼낸 카드에 적힌 두 수가 달라야 하므로 확률변수 X\displaystyle X의 확률분포를 표로 나타내면 다음과 같다.

X\displaystyle X0\displaystyle 01\displaystyle 12\displaystyle 23\displaystyle 3계
P(X=x)\displaystyle P(X=x)13\displaystyle \frac1316×56\displaystyle \frac16\times\frac5626×26\displaystyle \frac26\times\frac2636×56\displaystyle \frac36\times\frac561\displaystyle 1

따라서E(X)=(0×13)+(16×56)+2(26×26)+3(36×56)=2918\displaystyle E(X)=(0\times\frac13)+(\frac16\times\frac56)+2(\frac26\times\frac26)+3(\frac36\times\frac56)=\frac{29}{18}V(X)=E(X2)−{E(X)}2=(0×13)+(16×56)+4(26×26)+9(36×56)−(2918)2=563182=563324\displaystyle \begin{aligned}V(X)&=E(X^2)-\{E(X)\}^2\\&=(0\times\frac13)+(\frac16\times\frac56)+4(\frac26\times\frac26)+9(\frac36\times\frac56)-(\frac{29}{18})^2\\&=\frac{563}{18^2}=\frac{563}{324}\end{aligned}V(18X+5)=182V(X)=182×563182=563\displaystyle V(18X+5)=18^2V(X)=18^2\times\frac{563}{18^2}=563이므로6p+V(18X+5)=4+563=567\displaystyle 6p+V(18X+5)=4+563=567

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