수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (95점)

1\displaystyle 1부터 2n\displaystyle 2^{n}까지의 자연수가 각각 하나씩 적힌 2n\displaystyle 2^{n}개의 카드가 들어있는 상자가 있다. 이 상자에서 임의로 3\displaystyle 3장의 카드를 동시에 꺼냈을 때, 꺼낸 카드에 적힌 세 숫자가 공비가 2k\displaystyle 2^{k}꼴(k\displaystyle k는 자연수)인 등비수열을 이룰 확률을 구하여라. (단, n\displaystyle n은 2\displaystyle 2 이상의 자연수이다.)

+15점 · 전체 경우의 수를 올바르게 구하였는가?

이 상자에서 임의로 3\displaystyle 3장의 카드를 동시에 꺼냈을 때, 가능한 모든 경우의 수는2nC3=2n(2n−1)(2n−2)6\displaystyle {}_{2^{n}}\mathrm{C}_{3}=\frac{2^{n}(2^{n}-1)(2^{n}-2)}{6}이다.

+30점 · 공비가 2k\displaystyle 2^{k}인 등비수열의 초항 범위와 경우의 수를 올바르게 구하였는가?

한편, 꺼낸 카드 3\displaystyle 3장에 적힌 세 숫자가 등비수열일 때 초항이 a\displaystyle a이고 공비가 2k\displaystyle 2^{k}이면,세 숫자는 a, 2ka, 22ka\displaystyle a,\,2^{k}a,\,2^{2k}a이다.상자 안의 카드에는 각각 1\displaystyle 1부터 2n\displaystyle 2^{n}까지의 자연수가 적혀 있으므로a≥1\displaystyle a\ge1이고 22ka≤2n\displaystyle 2^{2k}a\le2^{n}, 즉, 1≤a≤2n−2k\displaystyle 1\le a\le2^{n-2k}이다.따라서 꺼낸 3\displaystyle 3장의 카드에 적힌 세 숫자가 공비가 2k\displaystyle 2^{k}인 등비수열을 이루는 경우의 수는 2n−2k\displaystyle 2^{n-2k}이다.

+25점 · n\displaystyle n이 짝수일 때 가능한 k\displaystyle k의 범위, 경우의 수의 합, 확률을 올바르게 구하였는가?

(i) n\displaystyle n이 2\displaystyle 2 이상의 짝수인 경우n\displaystyle n을 어떤 자연수 m\displaystyle m에 대하여 n=2m\displaystyle n=2m으로 나타낼 수 있다.이때, 2k≤n=2m\displaystyle 2k\le n=2m, 즉, 1≤k≤m\displaystyle 1\le k\le m이어야 한다.따라서 문제의 조건을 만족하는 경우의 수는∑k=1m2n−2k=∑k=1m22m−2k=4m−13=2n−13\displaystyle \sum_{k=1}^{m}2^{n-2k}=\sum_{k=1}^{m}2^{2m-2k}=\frac{4^{m}-1}{3}=\frac{2^{n}-1}{3}이고, 구하는 확률은2n−132n(2n−1)(2n−2)6=22n(2n−2)=12n(2n−1−1)\displaystyle \frac{\dfrac{2^{n}-1}{3}}{\dfrac{2^{n}(2^{n}-1)(2^{n}-2)}{6}}=\frac{2}{2^{n}(2^{n}-2)}=\frac{1}{2^{n}(2^{n-1}-1)}이다.

+25점 · n\displaystyle n이 홀수일 때 가능한 k\displaystyle k의 범위, 경우의 수의 합, 확률을 올바르게 구하였는가?

(ii) n\displaystyle n이 2\displaystyle 2 이상의 홀수인 경우n\displaystyle n을 어떤 자연수 m\displaystyle m에 대하여 n=2m+1\displaystyle n=2m+1로 나타낼 수 있다.이때, 2k≤n=2m+1\displaystyle 2k\le n=2m+1, 즉, 1≤k≤m+12\displaystyle 1\le k\le m+\frac{1}{2}이어야 한다.따라서 문제의 조건을 만족하는 경우의 수는∑k=1m2n−2k=∑k=1m22m+1−2k=2(4m−1)3=2(2n−1−1)3\displaystyle \sum_{k=1}^{m}2^{n-2k}=\sum_{k=1}^{m}2^{2m+1-2k}=\frac{2(4^{m}-1)}{3}=\frac{2(2^{n-1}-1)}{3}이고, 구하는 확률은2(2n−1−1)32n(2n−1)(2n−2)6=4(2n−1−1)2n(2n−1)(2n−2)=12n−1(2n−1)\displaystyle \frac{\dfrac{2(2^{n-1}-1)}{3}}{\dfrac{2^{n}(2^{n}-1)(2^{n}-2)}{6}}=\frac{4(2^{n-1}-1)}{2^{n}(2^{n}-1)(2^{n}-2)}=\frac{1}{2^{n-1}(2^{n}-1)}이다.

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