수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

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+5점 · 카드가 최종적으로 보일 확률을 올바르게 구한다.

어떤 자연수 a\displaystyle a (1an\displaystyle 1\le a\le n)에 대하여 n\displaystyle n번의 시행 후 자연수 a\displaystyle a가 보이게 뒤집어져 있을 확률을 P(a)\displaystyle \mathrm{P}(a)라 하면P(a)=nC1 ⁣(1n)1 ⁣(11n)n1+nC3 ⁣(1n)3 ⁣(11n)n3+nC5 ⁣(1n)5 ⁣(11n)n5++nCm ⁣(1n)m ⁣(11n)nm\displaystyle \mathrm{P}(a)={}_{n}\mathrm{C}_{1}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{1}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-1}+{}_{n}\mathrm{C}_{3}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{3}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-3}+{}_{n}\mathrm{C}_{5}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{5}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-5}+\cdots+{}_{n}\mathrm{C}_{m}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{m}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-m}(단, m\displaystyle mn\displaystyle n 이하의 자연수 중 최대인 홀수)이고,이항정리에 의하여P(a)=k=0nnCk ⁣(1n)k ⁣(11n)nkk=0n(1)knCk ⁣(1n)k ⁣(11n)nk2\displaystyle \mathrm{P}(a)=\frac{\displaystyle\sum_{k=0}^{n}{}_{n}\mathrm{C}_{k}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{k}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-k}-\sum_{k=0}^{n}(-1)^{k}{}_{n}\mathrm{C}_{k}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{k}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-k}}{2}

한편, k=0nnCk ⁣(1n)k ⁣(11n)nk=(1n+11n)n=1\displaystyle \sum_{k=0}^{n}{}_{n}\mathrm{C}_{k}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{k}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-k}=\left(\frac{1}{n}+1-\frac{1}{n}\right)^{n}=1 이고k=0n(1)knCk ⁣(1n)k ⁣(11n)nk=k=0nnCk ⁣(1n)k ⁣(11n)nk=(1n+11n)n=(12n)n\displaystyle \sum_{k=0}^{n}(-1)^{k}{}_{n}\mathrm{C}_{k}\!\left(\frac{1}{n}\right)^{k}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-k}=\sum_{k=0}^{n}{}_{n}\mathrm{C}_{k}\!\left(-\frac{1}{n}\right)^{k}\!\left(1-\frac{1}{n}\right)^{n-k}=\left(-\frac{1}{n}+1-\frac{1}{n}\right)^{n}=\left(1-\frac{2}{n}\right)^{n}이므로P(a)=1(12n)n2\displaystyle \mathrm{P}(a)=\frac{1-\left(1-\dfrac{2}{n}\right)^{n}}{2}

+10점 · 보이는 수의 합의 기댓값을 올바르게 구한다.

따라서an=a=1n{a×1(12n)n2}=n(n+1)2×1(12n)n2\displaystyle a_{n}=\sum_{a=1}^{n}\left\{a\times\frac{1-\left(1-\frac{2}{n}\right)^{n}}{2}\right\}=\frac{n(n+1)}{2}\times\frac{1-\left(1-\frac{2}{n}\right)^{n}}{2}

+5점 · 주어진 수열의 극한값을 올바르게 구한다.

이므로limnann2=limn{n(n+1)2n2×1(12n)n2}=e214e2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_{n}}{n^{2}}=\lim_{n\to\infty}\left\{\frac{n(n+1)}{2n^{2}}\times\frac{1-\left(1-\frac{2}{n}\right)^{n}}{2}\right\}=\frac{e^{2}-1}{4e^{2}}

Q. n\displaystyle n이 충분히 커지면 P(a)\displaystyle \mathrm{P}(a)12\displaystyle \frac{1}{2}로 수렴할 것 같은데, 그렇지 않은 이유가 무엇일까?A. 카드가 n\displaystyle n장이고 시행 횟수가 kn\displaystyle kn이라면 P(a)=1(12n)kn21e2k2\displaystyle \mathrm{P}(a)=\frac{1-\left(1-\frac{2}{n}\right)^{kn}}{2}\to\frac{1-e^{-2k}}{2}이고, 이때 k\displaystyle k가 무한대로 발산하면 P(a)\displaystyle \mathrm{P}(a)12\displaystyle \frac{1}{2}로 수렴한다. 즉, 횟수가 충분히 많아져 홀수 번과 짝수 번 뒤집힐 확률이 반반이 되는 것. 그러나 이 문제는 시행 횟수와 카드 수가 같은 n\displaystyle n이라 둘이 같은 속도로 커지기 때문에 (12n)ne2\displaystyle \left(1-\frac{2}{n}\right)^{n}\to e^{-2}이고, 12\displaystyle \frac{1}{2}이 아닌 P(a)1e220.43\displaystyle \mathrm{P}(a)\to\frac{1-e^{-2}}{2}\approx 0.43으로 수렴하는 것이다.

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

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