수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (총 100점)

양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수가 다음과 같다.f(x)=(t+1)e−x (0≤x≤a)\displaystyle f(x)=(t+1)e^{-x}\ (0\le x\le a)

(a) a\displaystyle a를 t\displaystyle t에 관한 식으로 나타내어라. (30점)

(b) E(X2)\displaystyle \mathrm E(X^2)과 극한값 lim⁡t→∞E(X2)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)을 구하여라. (70점)

해설강의 준비중

(a)f(x)\displaystyle f ( x )가 확률밀도함수이므로∫0a(t+1)e−xdx=[−(t+1)e−x]0a=(t+1)(1−e−a)=1\displaystyle \int_{0}^{a} {( t + 1 ) e^{- x} d x} = \Biggl[ - ( t + 1 ) e^{- x} \Biggr]_{0}^{a}= ( t + 1 ) ( 1 - e^{- a} ) = 1이다. 따라서(t+1)(1−e−a)=1⇔(1−e−a)=1t+1⇔e−a=tt+1⇔ea=t+1t\displaystyle (t+1)(1-e^{-a})=1\Leftrightarrow(1-e^{-a})=\frac1{t+1}\Leftrightarrow e^{-a}=\frac t{t+1}\Leftrightarrow e^a=\frac{t+1}t이므로 a=ln⁡(1+1t)\displaystyle a = \ln ( 1 + \frac{{1}}{t} )이다.

(b)E(X2)=∫0ax2f(x) dx\displaystyle \mathrm E(X^2)=\int_0^a x^2f(x)\,dx이므로E(X2)=∫0ln⁡(1+1t)x2⋅(t+1)e−x dx=(t+1)∫0ln⁡(1+1t)x2e−x dx=(t+1)[−x2e−x]0ln⁡(1+1t)+(t+1)∫0ln⁡(1+1t)2xe−x dx=(t+1)(−tt+1[ln⁡(1+1t)]2)+2(t+1)∫0ln⁡(1+1t)xe−x dx=−t[ln⁡(1+1t)]2+2(t+1)[−xe−x]0ln⁡(1+1t)+2(t+1)∫0ln⁡(1+1t)e−x dx=−t[ln⁡(1+1t)]2−2tln⁡(1+1t)+2(t+1)∫0ln⁡(1+1t)e−x dx=−t[ln⁡(1+1t)]2−2tln⁡(1+1t)+2\displaystyle \begin{aligned}\mathrm E(X^2)&=\int_0^{\ln(1+\frac1t)}x^2\cdot(t+1)e^{-x}\,dx=(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}x^2e^{-x}\,dx\\&=(t+1)\Biggl[-x^2e^{-x}\Biggr]_0^{\ln(1+\frac1t)}+(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}2xe^{-x}\,dx\\&=(t+1)\left(-\frac t{t+1}\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2\right)+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}xe^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2+2(t+1)\Biggl[-xe^{-x}\Biggr]_0^{\ln(1+\frac1t)}+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}e^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}e^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2\end{aligned}이다. 또한 lim⁡t→∞E(X2)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)은 다음과 같다.lim⁡t→∞E(X2)=lim⁡t→∞(−t[ln⁡(1+1t)]2−2tln⁡(1+1t)+2)=lim⁡t→∞(−1t[ln⁡(1+1t)t]2−2ln⁡(1+1t)t+2)=0−2ln⁡e+2=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)&=\lim_{t\to\infty}\left(-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2\right)\\&=\lim_{t\to\infty}\left(-\frac1t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)^t\right]^2-2\ln\left(1+\frac1t\right)^t+2\right)=0-2\ln e+2\\&=0\end{aligned}

QtA. 왜 lim⁡t→∞E(X2)=0\displaystyle\lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)=0일까?이 문제에서 X\displaystyle X가 취할 수 있는 값은0≤X≤a=ln⁡(1+1t)\displaystyle 0\le X\le a=\ln\left(1+\frac1t\right)이다. t\displaystyle t가 커지면 a\displaystyle a가 0으로 가므로 X\displaystyle X는 0에 가까운 값만 갖게 된다. 따라서 X2\displaystyle X^2의 평균도 0에 가까워진다. 실제로0≤E(X2)≤a2={ln⁡(1+1t)}2⟶0\displaystyle 0\le \mathrm E(X^2)\le a^2=\left\{\ln\left(1+\frac1t\right)\right\}^2\longrightarrow0이므로 구하는 극한값은 0\displaystyle 0이다.

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