수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

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문제

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+15점 · (a) 균형 선택이 되는 조건을 올바르게 나타낸다.

(a) 선택된 네 수를 a<b<c<d\displaystyle a<b<c<d라 하자.이 선택이 균형 선택이려면 a+d=b+c\displaystyle a+d=b+c이어야 한다.이때 ba=dc=l\displaystyle b-a=d-c=l이라 하면 네 수는 a,a+l,c,c+l\displaystyle a,\,a+l,\,c,\,c+l이므로, a+l<c\displaystyle a+l<c, c+ln\displaystyle c+l\leq n이다.즉, 1a<cln2l\displaystyle 1\leq a<c-l\leq n-2l이다.이 경우는 1,2,,(n2l)\displaystyle 1,\,2,\,\cdots,\,(n-2l) 중에서 서로 다른 두 수를 골라 작은 수를 a\displaystyle a로, 큰 수를 (cl)\displaystyle (c-l)로 정한 경우와 같다.따라서 경우의 수는 n2lC2\displaystyle {}_{n-2l}\mathrm{C}_{2}이다.(단, n2l2\displaystyle n-2l\geq 2이다.)

+40점 · (a) 균형 선택의 경우의 수와 확률을 홀짝을 포함하여 올바르게 구한다.

(i) n=2k\displaystyle n=2k(k\displaystyle k2\displaystyle 2 이상의 자연수)인 경우, 균형 선택의 개수는l=1k12k2lC2=j=1k12jC2=j=1k1j(2j1)=(k1)k(4k5)6\displaystyle \sum_{l=1}^{k-1}{}_{2k-2l}\mathrm{C}_{2}=\sum_{j=1}^{k-1}{}_{2j}\mathrm{C}_{2}=\sum_{j=1}^{k-1}j(2j-1)=\dfrac{(k-1)k(4k-5)}{6}이다.전체 경우의 수는 2kC4\displaystyle {}_{2k}\mathrm{C}_{4}이므로, 균형 선택일 확률은(k1)k(4k5)/62kC4=4k5(2k1)(2k3)=2n5(n1)(n3)\displaystyle \dfrac{(k-1)k(4k-5)/6}{{}_{2k}\mathrm{C}_{4}}=\dfrac{4k-5}{(2k-1)(2k-3)}=\dfrac{2n-5}{(n-1)(n-3)}이다.

(ii) n=2k+1\displaystyle n=2k+1(k\displaystyle k2\displaystyle 2 이상의 자연수)인 경우, 균형 선택의 개수는l=1k12k+12lC2=j=1k12j+1C2=j=1k1j(2j+1)=(k1)k(4k+1)6\displaystyle \sum_{l=1}^{k-1}{}_{2k+1-2l}\mathrm{C}_{2}=\sum_{j=1}^{k-1}{}_{2j+1}\mathrm{C}_{2}=\sum_{j=1}^{k-1}j(2j+1)=\dfrac{(k-1)k(4k+1)}{6}이다.전체 경우의 수는 2k+1C4\displaystyle {}_{2k+1}\mathrm{C}_{4}이므로, 균형 선택일 확률은(k1)k(4k+1)/62k+1C4=4k+1(2k+1)(2k1)=2n1n(n2)\displaystyle \dfrac{(k-1)k(4k+1)/6}{{}_{2k+1}\mathrm{C}_{4}}=\dfrac{4k+1}{(2k+1)(2k-1)}=\dfrac{2n-1}{n(n-2)}이다.

+20점 · (b) 가운데 두 수가 연속한 균형 선택의 조건을 올바르게 나타낸다.

(b) 문제의 조건은 c=b+1\displaystyle c=b+1이므로, 균형 선택인 네 수는 a,a+l,a+l+1,a+2l+1\displaystyle a,\,a+l,\,a+l+1,\,a+2l+1이다.1a<a+2l+1n\displaystyle 1\leq a<a+2l+1\leq n이므로, 1an2l1\displaystyle 1\leq a\leq n-2l-1이다.따라서 가능한 경우의 수는 (n2l1)\displaystyle (n-2l-1)이다.(단, n2l11\displaystyle n-2l-1\geq 1이다.)

+40점 · (b) 해당 경우의 수와 조건부 확률을 홀짝을 포함하여 올바르게 구한다.

(i) n=2k\displaystyle n=2k(k\displaystyle k2\displaystyle 2 이상의 자연수)인 경우, c=b+1\displaystyle c=b+1인 균형 선택의 개수는 l=1k1(2k2l1)=(k1)2\displaystyle \sum_{l=1}^{k-1}(2k-2l-1)=(k-1)^{2}이다.따라서 구하는 확률은(k1)2(k1)k(4k5)/6=6(k1)k(4k5)=6(n2)n(2n5)\displaystyle \dfrac{(k-1)^{2}}{(k-1)k(4k-5)/6}=\dfrac{6(k-1)}{k(4k-5)}=\dfrac{6(n-2)}{n(2n-5)}이다.

(ii) n=2k+1\displaystyle n=2k+1(k\displaystyle k2\displaystyle 2 이상의 자연수)인 경우, c=b+1\displaystyle c=b+1인 균형 선택의 개수는 l=1k1(2k2l)=k(k1)\displaystyle \sum_{l=1}^{k-1}(2k-2l)=k(k-1)이다.따라서 구하는 확률은k(k1)(k1)k(4k+1)/6=64k+1=62n1\displaystyle \dfrac{k(k-1)}{(k-1)k(4k+1)/6}=\dfrac{6}{4k+1}=\dfrac{6}{2n-1}이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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