수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

1\displaystyle 1부터 n (n≥3)\displaystyle n\ (n\geq 3)까지의 자연수를 좌표로 갖는 서로 다른 n\displaystyle n개의 점이 수직선 위에 있다. 이 중에서 서로 다른 세 점을 임의로 선택할 때, 그 세 점을 선택한 순서대로 각각 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}라 하자. 수직선에서 두 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 AC\displaystyle \mathrm{AC}가 겹치는 부분의 길이를 확률변수 X\displaystyle X라 할 때, 다음 물음에 답하여라.

(a) X=1\displaystyle X=1일 확률을 구하여라. (40점)

(b) X\displaystyle X의 평균을 구하여라. (75점)

해설강의 준비중

뽑힌 세 점의 좌표를 크기순으로 p<q<r\displaystyle p<q<r이라 하자.순서대로 뽑은 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}는 p, q, r\displaystyle p,\,q,\,r의 한 순열이고,이 여섯 가지 순열이 모두 같은 확률로 나타나므로,A\displaystyle \mathrm{A}가 p, q, r\displaystyle p,\,q,\,r 중 어느 것인지는 각각 확률 13\displaystyle \frac{1}{3}이다.

A\displaystyle \mathrm{A}가 q\displaystyle q이면 B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}는 A\displaystyle \mathrm{A}의 양쪽에 하나씩 있으므로, 두 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}, AC\displaystyle \mathrm{AC}는 점 A\displaystyle \mathrm{A} 한 점에서만 만나 X=0\displaystyle X=0이고,A\displaystyle \mathrm{A}가 p\displaystyle p이면 B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}가 모두 A\displaystyle \mathrm{A}보다 크므로, 두 선분이 겹치는 길이는 A\displaystyle \mathrm{A}에서 더 가까운 점까지의 거리인 q−p\displaystyle q-p이며,A\displaystyle \mathrm{A}가 r\displaystyle r이면 대칭적으로 겹치는 길이는 r−q\displaystyle r-q이다.

(a) X=1\displaystyle X=1이려면 A=p\displaystyle \mathrm{A}=p이고 q−p=1\displaystyle q-p=1이거나, A=r\displaystyle \mathrm{A}=r이고 r−q=1\displaystyle r-q=1이어야 한다.1, ⋯ , n\displaystyle 1,\,\cdots,\,n의 각 수 k\displaystyle k를 n+1−k\displaystyle n+1-k로 대응시키면 p, q, r\displaystyle p,\,q,\,r은 각각 n+1−r, n+1−q, n+1−p\displaystyle n+1-r,\,n+1-q,\,n+1-p로 바뀌어 q−p\displaystyle q-p와 r−q\displaystyle r-q가 서로 바뀌므로,q−p=1\displaystyle q-p=1일 확률과 r−q=1\displaystyle r-q=1일 확률은 같다.

q−p=1\displaystyle q-p=1인 경우는 p=1, ⋯ , n−2\displaystyle p=1,\,\cdots,\,n-2에 대하여 r\displaystyle r이 p+2, ⋯ , n\displaystyle p+2,\,\cdots,\,n 중 하나이면 되므로 그 개수는∑p=1n−2(n−p−1)=(n−1)(n−2)2\displaystyle \sum_{p=1}^{n-2}(n-p-1)=\frac{(n-1)(n-2)}{2}이고,전체 경우의 수는 nC3=n(n−1)(n−2)6\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{3}=\frac{n(n-1)(n-2)}{6}이므로 q−p=1\displaystyle q-p=1일 확률은(n−1)(n−2)/2n(n−1)(n−2)/6=3n\displaystyle \frac{(n-1)(n-2)/2}{n(n-1)(n-2)/6}=\frac{3}{n}이다.

따라서 X=1\displaystyle X=1일 확률은P(X=1)=13×3n+13×3n=2n\displaystyle P(X=1)=\frac{1}{3}\times\frac{3}{n}+\frac{1}{3}\times\frac{3}{n}=\frac{2}{n}이다.

(b) 앞의 결과에 의해 X\displaystyle X의 평균은E(X)=13×0+13E(q−p)+13E(r−q)=13E(r−p)\displaystyle E(X)=\frac{1}{3}\times 0+\frac{1}{3}E(q-p)+\frac{1}{3}E(r-q)=\frac{1}{3}E(r-p)이므로,r−p\displaystyle r-p의 기댓값을 구하면 된다.

1, ⋯ , n\displaystyle 1,\,\cdots,\,n의 자연수 중 p, q, r\displaystyle p,\,q,\,r을 제외한 (n−3)\displaystyle (n-3)개의 수는 p\displaystyle p보다 작은 수, p\displaystyle p와 q\displaystyle q 사이의 수, q\displaystyle q와 r\displaystyle r 사이의 수, r\displaystyle r보다 큰 수의 네 그룹으로 나뉜다.이 네 그룹에 속한 수의 개수를 각각 a0, a1, a2, a3\displaystyle a_{0},\,a_{1},\,a_{2},\,a_{3}이라 하면 a0+a1+a2+a3=n−3\displaystyle a_{0}+a_{1}+a_{2}+a_{3}=n-3이고,(p, q, r)\displaystyle (p,\,q,\,r)을 정하는 것과 (a0, a1, a2, a3)\displaystyle \left(a_{0},\,a_{1},\,a_{2},\,a_{3}\right)을 정하는 것은 일대일대응이므로,대칭성에 의해 a0, a1, a2, a3\displaystyle a_{0},\,a_{1},\,a_{2},\,a_{3}의 기댓값은 모두 같다.

따라서 E(a0)=E(a1)=E(a2)=E(a3)=n−34\displaystyle E(a_{0})=E(a_{1})=E(a_{2})=E(a_{3})=\frac{n-3}{4}이고,p=a0+1\displaystyle p=a_{0}+1이므로 E(p)=n−34+1=n+14\displaystyle E(p)=\frac{n-3}{4}+1=\frac{n+1}{4}이며,r=n−a3\displaystyle r=n-a_{3}이므로 E(r)=n−n−34=3n+34\displaystyle E(r)=n-\frac{n-3}{4}=\frac{3n+3}{4}이다.

E(r−p)=E(r)−E(p)=3n+34−n+14=n+12\displaystyle E(r-p)=E(r)-E(p)=\frac{3n+3}{4}-\frac{n+1}{4}=\frac{n+1}{2}이므로E(X)=13×n+12=n+16\displaystyle E(X)=\frac{1}{3}\times\frac{n+1}{2}=\frac{n+1}{6}이다.

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