서울시립대 2023학년도 모의 자연계열 2번 · 해설강의 있음 · mathesis.kr/archive/uos/2023mo/jayeon_2
문제
[문제 2] (총 95점)
어떤 주머니에 흰 공, 빨간 공, 파란 공들이 들어있다. 이 주머니에서 다음의 규칙을 따르는 시행을 한다.
주머니에서 임의로 한 개의 공을 꺼내어 그 색을 확인하고 같은 색의 공을 한 개 추가하여 뽑은 공과 함께 주머니에 다시 넣는다.
처음에 흰 공 2개, 빨간 공 1개, 파란 공 1개가 들어있는 주머니에 대해, 이 시행을 7회 반복한 후, 주머니에 들어 있는 공이 11개가 되면 멈춘다. 주머니에 있는 11개의 공 중에서 7개가 흰 공, 2개가 빨간 공, 2개가 파란 공인 사건을 라 할 때, 다음 물음에 답하여라.
(a) 사건 가 일어날 확률을 구하여라. (40점)
(b) 사건 가 일어났을 때, 7회의 각 시행 후에 주머니에 있는 흰 공의 개수가 항상 나머지 공의 개수보다 크거나 같을 조건부 확률을 구하여라. (55점)
논술 카탈란 수
서울시립대 2023학년도 모의 자연계열 2번 · 해설강의 있음 · mathesis.kr/archive/uos/2023mo/jayeon_2
(a) 사건 가 일어나려면 흰 공을 회, 빨간 공과 파란 공을 각각 회 뽑아야 한다.이러한 색 배열의 수는이다.
어느 배열이든 분모는 매 시행의 전체 공의 수이고,흰 공을 뽑을 때의 분자는 차례로 이다.빨간 공과 파란 공을 뽑을 때의 분자는 각각 이므로,각 배열의 확률은으로 같다.
따라서이다.
(b) 원점에서 출발하여 흰 공을 뽑으면 오른쪽 위로 한 칸,빨간 공이나 파란 공을 뽑으면 오른쪽 아래로 한 칸 이동하자.처음에는 흰 공과 나머지 공이 각각 개이므로,경로의 높이는 흰 공의 개수에서 나머지 공의 개수를 뺀 값이다.사건 가 일어나면 위로 번, 아래로 번 이동하여 에 도착한다.따라서 구하는 조건은 이 경로가 한 번도 축 아래로 내려가지 않는 것이다.
전체 경로의 수는 아래로 이동할 두 자리를 고르는이다.이 중 조건을 어기는 경로에서 처음 높이 에 도달할 때까지위와 아래의 방향을 서로 바꾸자.그 구간에는 아래로 가는 횟수가 한 번 더 많으므로,바꾼 경로는 위로 번, 아래로 번 이동하여 에 도착한다.
반대로 에 도착하는 경로에서 처음 높이 에 도달할 때까지 방향을 바꾸면원래 경로가 복원된다.따라서 조건을 어기는 경로와 위로 번, 아래로 번 가는 경로는 일대일로 대응한다.조건을 만족하는 경로의 수는이다.
각 경로에서 아래로 가는 두 자리에 빨간 공과 파란 공을 배정하는 방법은 가지이다.(a)에서 각 색 배열의 확률이 같음을 확인했으므로,구하는 조건부 확률은이다.
다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.
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