수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 1번

문제

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(문제 1-1)감염된 사람의 수 g(t)\displaystyle g(t)가 감소한다는 것은 g(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0인 경우이다. 주어진 식으로부터g(t)=ag(t)f(t)Nbg(t)=(abf(t)N1)bg(t)\displaystyle g^{\prime}(t)=\frac{ag(t)f(t)}N-bg(t)=\left(\frac ab\frac{f(t)}N-1\right)bg(t)이므로g(t)<0(abf(t)N1)bg(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0\quad\Leftrightarrow\quad\left(\frac ab\frac{f(t)}N-1\right)bg(t)<0이고, a>0\displaystyle a>0, g(t)>0\displaystyle g(t)>0이므로g(t)<0abf(t)N<1f(t)<bN/a=100/10=10\displaystyle g^{\prime}(t)<0\quad\Leftrightarrow\quad\frac ab\frac{f(t)}N<1\quad\Leftrightarrow\quad f(t)<bN/a=100/10=10그러므로 A<10\displaystyle A<10이다.

(문제 1-2)주어진 식으로부터f(t)h(t)=ag(t)f(t)/Nbg(t)=af(t)bN\displaystyle \frac{f^{\prime}(t)}{h^{\prime}(t)}=-\frac{ag(t)f(t)/N}{bg(t)}=-\frac{af(t)}{bN}양변을 f(t)\displaystyle f(t)로 나누고 h(t)\displaystyle h^{\prime}(t)를 곱하면f(t)f(t)=abNh(t)\displaystyle \frac{f^{\prime}(t)}{f(t)}=-\frac a{bN}h^{\prime}(t)양변을 t\displaystyle t에 대해 적분하면lnf(t)=(a/(bN))h(t)+C\displaystyle \ln f(t)=-(a/(bN))h(t)+C여기에서 C\displaystyle C는 적분상수이다. 자연상수 e\displaystyle e를 밑으로 하는 지수함수로 표현하면f(t)=eCeah(t)/(bN)\displaystyle f(t)=e^Ce^{-ah(t)/(bN)}이다. 적분상수 C\displaystyle C를 정하기 위해 t=0\displaystyle t=0을 대입하면,f(0)=eCeah(0)/(bN)f(0)eah(0)/(bN)=eC\displaystyle f(0)=e^Ce^{-ah(0)/(bN)}\quad\Rightarrow\quad f(0)e^{ah(0)/(bN)}=e^C그러므로f(t)=f(0)ea(h(t)h(0))/(bN)=99e120h(t)\displaystyle f(t)=f(0)e^{-a(h(t)-h(0))/(bN)}=99e^{-\frac1{20}h(t)}문제에서 주어진 h(t)=20\displaystyle h(t^*)=20이므로 f(t)=99e12020=99/e\displaystyle f(t^*)=99e^{-\frac1{20}20}=99/e이다.

(문제 1-3)제시문 (나)에서 P(Xk+1)=kk+2P(Xk)\displaystyle \mathrm{P}(X\geq k+1)=\frac k{k+2}\mathrm{P}(X\geq k)이므로 P(Xk+1)P(Xk)=kk+2 (k=1,2,,99)\displaystyle \frac{\mathrm{P}(X\geq k+1)}{\mathrm{P}(X\geq k)}=\frac k{k+2}\ (k=1,2,\cdots,99)이다.

- P(Xk)=Pk\displaystyle \mathrm{P}(X\geq k)=P_k로 나타내면 Pk+1Pk=kk+2\displaystyle \frac{P_{k+1}}{P_k}=\frac k{k+2}이다.

- 확률의 기본성질에 의해서 P(X1)=P1=x=1100P(X=x)=1\displaystyle \mathrm{P}(X\geq1)=P_1=\sum_{x=1}^{100}\mathrm{P}(X=x)=1이다.

- 문제에 주어진 확률을 계산하기 위해서는 확률을 P(Xk)=Pk\displaystyle \mathrm{P}(X\geq k)=P_k의 형태로 표현하여야 한다.

1) P(1X3)P(6X19)\displaystyle \frac{\mathrm{P}(1\leq X\leq3)}{\mathrm{P}(6\leq X\leq19)}의 값은?

- 문제에 있는 P(6X19)\displaystyle \mathrm{P}(6\leq X\leq19)를 계산하기 위해서 제시문에 주어진 형태로 다시 표현하면 아래와 같다.P(6X19)=P(X19)P(X5)=1P(X20)[1P(X6)]=P(X6)P(X20)=P6P20\displaystyle \begin{aligned}\mathrm{P}(6\leq X\leq19)&=\mathrm{P}(X\leq19)-\mathrm{P}(X\leq5)\\&=1-\mathrm{P}(X\geq20)-[1-\mathrm{P}(X\geq6)]\\&=\mathrm{P}(X\geq6)-\mathrm{P}(X\geq20)\\&=P_6-P_{20}\end{aligned}

- Pk\displaystyle P_k의 값은 다음과 같이 구해진다.P1=1P2=13P1=13P3=24P2=23×14P4=35P3=13×24×35=24×15P5=46P4=13×24×35×46=25×16P6=57P5=13×24×35×46×57=26×17\displaystyle \begin{aligned}P_1&=1\\P_2&=\frac13P_1=\frac13\\P_3&=\frac24P_2=\frac23\times\frac14\\P_4&=\frac35P_3=\frac13\times\frac24\times\frac35=\frac24\times\frac15\\P_5&=\frac46P_4=\frac13\times\frac24\times\frac35\times\frac46=\frac25\times\frac16\\P_6&=\frac57P_5=\frac13\times\frac24\times\frac35\times\frac46\times\frac57=\frac26\times\frac17\end{aligned}같은 방법으로 계산하면 P20=22021\displaystyle P_{20}=\frac2{20\cdot21}이다.

따라서, P(6X19)=P6P20=26722021=370\displaystyle \mathrm{P}(6\leq X\leq19)=P_6-P_{20}=\frac2{6\cdot7}-\frac2{20\cdot21}=\frac3{70}이다.

- P(1X3)=1P(X4)=1P4\displaystyle \mathrm{P}(1\leq X\leq3)=1-\mathrm{P}(X\geq4)=1-P_4이며 P4=245\displaystyle P_4=\frac2{4\cdot5}이다.

따라서, P(1X3)=1P4=1110=910\displaystyle \mathrm{P}(1\leq X\leq3)=1-P_4=1-\frac1{10}=\frac9{10}이다.

따라서, 구하고자 하는 값은 P(1X3)P(6X19)=9/103/70=21\displaystyle \frac{\mathrm{P}(1\leq X\leq3)}{\mathrm{P}(6\leq X\leq19)}=\frac{9/10}{3/70}=21이다.

2) 방역당국에서 전염병 경보단계를 최고단계로 하는 최소 감염자수 k\displaystyle k 구하기

앞에서 Pk\displaystyle P_k의 값을 계산하는 방법을 이용하면 다음과 같은 값을 가진다.

k=1\displaystyle k=1일 때 P(X1)=1P(X2)=1P2=113=2/3\displaystyle \mathrm{P}(X\leq1)=1-\mathrm{P}(X\geq2)=1-P_2=1-\frac13=2/3k=2\displaystyle k=2일 때 P(X2)=1P3=11/6=5/6\displaystyle \mathrm{P}(X\leq2)=1-P_3=1-1/6=5/6k=3\displaystyle k=3일 때 P(X3)=1P4=11/10=9/10\displaystyle \mathrm{P}(X\leq3)=1-P_4=1-1/10=9/10

이와 같은 방법을 사용하면k=8\displaystyle k=8일 때 P(X8)=1P9=12910=44/45\displaystyle \mathrm{P}(X\leq8)=1-P_9=1-\frac2{9\cdot10}=44/45이다.k=9\displaystyle k=9일 때 P(X9)=1P10=121011=54/55\displaystyle \mathrm{P}(X\leq9)=1-P_{10}=1-\frac2{10\cdot11}=54/55로 최고단계의 조건을 만족한다.따라서, 전염병 경보단계를 격상시키는 최소감염자수 k=9\displaystyle k=9이다.

[문제 1-1] (5점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우(중) 올바른 답을 구하였지만, 문제해결 방향에 논리적 오류가 있는 경우(하) 답을 맞히지 못한 경우

[문제 1-2] (12점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우(중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우(중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

[문제 1-3] (8점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우(중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우(중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

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