수리논술, 이게 다다.

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문제

구간 [0,1]\displaystyle [0,1]의 임의의 값을 가지는 두 연속확률변수 X1,X2\displaystyle X_1,X_2와 실수 전체의 집합에서 미분가능한 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)는 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 0≤i≤100\displaystyle 0\le i\le100인 모든 정수 i\displaystyle i에 대하여 f(i100)=(i100)2\displaystyle f\left(\frac{i}{100}\right)=\left(\frac{i}{100}\right)^2이고 g(i100)=i100\displaystyle g\left(\frac{i}{100}\right)=\frac{i}{100}이다.

(나) 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x) (단, 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1)는 X1\displaystyle X_1의 확률밀도함수이고 도함수 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x) (단, 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1)는 X2\displaystyle X_2의 확률밀도함수이다.

위의 두 연속확률변수 X1,X2\displaystyle X_1,X_2를 이용한 다음 물음에 답하시오.

탁자 위에 동전 1개, 공 1개, 상자 100개가 있다.

탁자 위의 동전을 던질 때,

앞면이 나오면 탁자 위의 공이 k\displaystyle k번째 상자에 들어갈 확률은

P(k−1100≤X1≤k100)\displaystyle \mathrm{P}\left(\frac{k-1}{100}\le X_1\le\frac{k}{100}\right)

이고 뒷면이 나오면 탁자 위의 공이 k\displaystyle k번째 상자에 들어갈 확률은

P(k−1100≤X2≤k100)\displaystyle \mathrm{P}\left(\frac{k-1}{100}\le X_2\le\frac{k}{100}\right)

이다. (단, k=1,2,⋯ ,100\displaystyle k=1,2,\cdots,100)

탁자 위의 공이 k\displaystyle k번째 상자에 들어갈 확률을 pk\displaystyle p_k라 할 때,

∑k=150p2k=p2+p4+⋯+p100\displaystyle \sum_{k=1}^{50}p_{2k}=p_2+p_4+\cdots+p_{100}의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

탁자 위의 동전을 던질 때, 앞면이 나오는 사건을 A\displaystyle A, 탁자 위의 공이 k\displaystyle k번째 상자에 들어가는 사건을 Bk\displaystyle B_k라고 하자. P(A)=P(Ac)=12\displaystyle P(A)=P(A^c)=\frac{1}{2}이다. 또한

P(Bk∣A)=P(k−1100≤X1≤k100)=∫(k−1)/100k/100f′(x)dx— (1)=f(k100)−f(k−1100)— (2)=(k100)2−(k−1100)2=2k−1104— (3)\displaystyle \begin{aligned}P(B_k\mid A)&=P\left(\frac{k-1}{100}\le X_1\le\frac{k}{100}\right)\\&=\int_{(k-1)/100}^{k/100}f^{\prime}(x)dx\qquad\text{--- (1)}\\&=f\left(\frac{k}{100}\right)-f\left(\frac{k-1}{100}\right)\qquad\text{--- (2)}\\&=\left(\frac{k}{100}\right)^2-\left(\frac{k-1}{100}\right)^2\\&=\frac{2k-1}{10^4}\qquad\text{--- (3)}\end{aligned}

P(Bk∣Ac)=P(k−1100≤X2≤k100)=∫(k−1)/100k/100g′(x)dx— (4)=g(k100)−g(k−1100)— (5)=k100−k−1100=1100— (6)\displaystyle \begin{aligned}P(B_k\mid A^c)&=P\left(\frac{k-1}{100}\le X_2\le\frac{k}{100}\right)\\&=\int_{(k-1)/100}^{k/100}g^{\prime}(x)dx\qquad\text{--- (4)}\\&=g\left(\frac{k}{100}\right)-g\left(\frac{k-1}{100}\right)\qquad\text{--- (5)}\\&=\frac{k}{100}-\frac{k-1}{100}\\&=\frac{1}{100}\qquad\text{--- (6)}\end{aligned}

이다. P(A)>0,P(Ac)>0\displaystyle P(A)>0,P(A^c)>0 이므로 확률의 곱셈정리에 의해

P(A∩Bk)=P(A)P(Bk∣A)=2k−12⋅104\displaystyle P(A\cap B_k)=P(A)P(B_k\mid A)=\frac{2k-1}{2\cdot10^4}

P(Ac∩Bk)=P(Ac)P(Bk∣Ac)=1200\displaystyle P(A^c\cap B_k)=P(A^c)P(B_k\mid A^c)=\frac{1}{200}

이다. Bk=(A∩Bk)∪(Ac∩Bk)\displaystyle B_k=(A\cap B_k)\cup(A^c\cap B_k)이며 (A∩Bk)∩(Ac∩Bk)=∅\displaystyle (A\cap B_k)\cap(A^c\cap B_k)=\varnothing이므로 확률의 덧셈정리에 의해

P(Bk)=P(A∩Bk)+P(Ac∩Bk)=2k−12⋅104+1200=2k+992⋅104— (7)\displaystyle P(B_k)=P(A\cap B_k)+P(A^c\cap B_k)=\frac{2k-1}{2\cdot10^4}+\frac{1}{200}=\frac{2k+99}{2\cdot10^4}\quad\text{--- (7)}

이다. k=1,2,⋯ ,50\displaystyle k=1,2,\cdots,50에 대해 p2k=P(B2k)=4k+992⋅104\displaystyle p_{2k}=P(B_{2k})=\frac{4k+99}{2\cdot10^4} 이므로

∑k=150p2k=∑k=1504k+992⋅104=12⋅104(4⋅50⋅512+99⋅50)=201400— (8)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^{50}p_{2k}&=\sum_{k=1}^{50}\frac{4k+99}{2\cdot10^4}\\&=\frac{1}{2\cdot10^4}\left(4\cdot\frac{50\cdot51}{2}+99\cdot50\right)\\&=\frac{201}{400}\qquad\text{--- (8)}\end{aligned}

이다.

문항채점 기준배점
(1)까지 10점 (1)과 (2)까지 20점 (1), (2)과 (3)까지 25점 (1), (2), (3)과 (4)까지 35점 (1), (2), (3), (4)과 (5)까지 45점 (1), (2), (3), (4), (5)과 (6)까지 50점 (1), (2), (3), (4), (5), (6)과 (7)까지 60점 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7)과 (8)까지 70점70

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