수리논술, 이게 다다.

추가 시험 자연계열 1번

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문제

[문제 1] 1\displaystyle 1부터 30\displaystyle 30까지의 자연수가 하나씩 적힌 30\displaystyle 30장의 카드가 들어 있는 주머니가 하나 있다. 이 주머니에서 임의로 1\displaystyle 1장의 카드를 꺼내어 카드에 적힌 수를 확인한 후, 꺼낸 카드를 넣지 않고 주머니에서 다시 임의로 1\displaystyle 1장의 카드를 꺼내어 카드에 적힌 수를 확인한다. 첫 번째로 꺼낸 카드에 적힌 수를 m\displaystyle m, 두 번째로 꺼낸 카드에 적힌 수를 n\displaystyle n이라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

[문제 1-1] 확률변수 X=∫1e{m−n(ln⁡x)2}dx\displaystyle X=\int_{1}^{e}\left\{m-n(\ln x)^{2}\right\}dx에 대하여 E(X)\displaystyle \mathrm{E}(X)의 값을 구하시오. [10점]

[문제 1-2] 다음 조건을 만족시키는 자연수 x\displaystyle x, y\displaystyle y, z\displaystyle z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수를 확률변수 Y\displaystyle Y라 할 때, E(2Y+137)\displaystyle \mathrm{E}\left(\frac{2Y+1}{3^{7}}\right)의 값을 구하시오. [20점]

(Ⅰ) xyz=30!mn\displaystyle xyz=\frac{30!}{mn}

(Ⅱ) x>y>z\displaystyle x>y>z

(Ⅲ) x\displaystyle x와 y\displaystyle y, y\displaystyle y와 z\displaystyle z, z\displaystyle z와 x\displaystyle x는 각각 서로소이다.

해설강의 준비중

이산확률분포

부분적분법

관련 개념강의 준비중

소수

관련 개념강의 준비중
+6점 · [1-1] 확률변수를 계산 가능한 식으로 나타낸다.

[문제 1-1] 부분적분하면∫1e(ln⁡x)2 dx=[x(ln⁡x)2]1e−2∫1eln⁡x dx=e−2\displaystyle \int_1^e(\ln x)^2\,dx=\Biggl[x(\ln x)^2\Biggr]_1^e-2\int_1^e\ln x\,dx=e-2이므로X=(e−1)m−(e−2)n\displaystyle X=(e-1)m-(e-2)n이다.

+4점 · [1-1] 기댓값을 올바르게 구한다.

m,n\displaystyle m,n은 각각 1,2,…,30\displaystyle 1,2,\ldots,30을 같은 확률로 가지므로E(m)=E(n)=312\displaystyle \mathrm E(m)=\mathrm E(n)=\frac{31}{2}이다.따라서E(X)=(e−1)312−(e−2)312=312\displaystyle \mathrm E(X)=(e-1)\frac{31}{2}-(e-2)\frac{31}{2}=\frac{31}{2}이다.

+8점 · [1-2] 서로소와 대소 조건을 반영하여 순서쌍의 개수를 구한다.

[문제 1-2] 30!/(mn)\displaystyle 30!/(mn)의 서로 다른 소인수의 개수를 k\displaystyle k라 하면서로소인 세 수에 각 소인수의 거듭제곱을 통째로 배정하는 방법은 3k\displaystyle 3^k가지이다.이 중 두 수가 같은 경우는 두 수가 모두 1\displaystyle 1인 세 가지뿐이고,이를 제외하면 세 수가 모두 다르므로Y=3k−36,2Y+137=3k−8\displaystyle Y=\frac{3^k-3}{6},\qquad \frac{2Y+1}{3^7}=3^{k-8}이다.

+8점 · [1-2] 필요한 경우의 확률을 빠짐없이 올바르게 구한다.

30!\displaystyle 30!의 소인수는 2,3,5,7,11,13,17,19,23,29\displaystyle 2,3,5,7,11,13,17,19,23,29이다.mn\displaystyle mn으로 나누어 소인수가 없어지는 경우는17,19,23,29\displaystyle 17,19,23,29 중 하나를 뽑거나,{m,n}={11,22}\displaystyle \{m,n\}=\{11,22\} 또는 {13,26}\displaystyle \{13,26\}일 때이다.전체 순서쌍은 30⋅29=870\displaystyle 30\cdot29=870개이므로(i) 소인수가 두 개 없어질 때는 큰 소수 네 개 중 서로 다른 두 개를 뽑아야 하므로12\displaystyle 12개이다.(ii) 소인수가 하나 없어질 때는 큰 소수 하나와 나머지 수를 뽑는 2⋅4⋅26\displaystyle 2\cdot4\cdot26개와(11,22),(22,11),(13,26),(26,13)\displaystyle (11,22),(22,11),(13,26),(26,13)을 합하여 212\displaystyle 212개이다.(iii) 소인수가 없어지지 않을 때는 870−12−212=646\displaystyle 870-12-212=646개이다.따라서 k=8,9,10\displaystyle k=8,9,10일 확률은 각각 6435,106435,323435\displaystyle \frac6{435},\frac{106}{435},\frac{323}{435}이다.

+4점 · [1-2] 요구한 기댓값을 올바르게 계산한다.

따라서E(2Y+137)=6+3⋅106+9⋅323435=1077145\displaystyle \mathrm E\left(\frac{2Y+1}{3^7}\right)=\frac{6+3\cdot106+9\cdot323}{435}=\frac{1077}{145}이다.

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

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