+5점 · 카드가 최종적으로 보일 확률을 올바르게 구한다.어떤 자연수 a (1≤a≤n)에 대하여 n번의 시행 후 자연수 a가 보이게 뒤집어져 있을 확률을 P(a)라 하면P(a)=nC1(n1)1(1−n1)n−1+nC3(n1)3(1−n1)n−3+nC5(n1)5(1−n1)n−5+⋯+nCm(n1)m(1−n1)n−m(단, m은 n 이하의 자연수 중 최대인 홀수)이고,이항정리에 의하여P(a)=2k=0∑nnCk(n1)k(1−n1)n−k−k=0∑n(−1)knCk(n1)k(1−n1)n−k
한편, k=0∑nnCk(n1)k(1−n1)n−k=(n1+1−n1)n=1 이고k=0∑n(−1)knCk(n1)k(1−n1)n−k=k=0∑nnCk(−n1)k(1−n1)n−k=(−n1+1−n1)n=(1−n2)n이므로P(a)=21−(1−n2)n
+10점 · 보이는 수의 합의 기댓값을 올바르게 구한다.따라서an=a=1∑n{a×21−(1−n2)n}=2n(n+1)×21−(1−n2)n
+5점 · 주어진 수열의 극한값을 올바르게 구한다.이므로n→∞limn2an=n→∞lim{2n2n(n+1)×21−(1−n2)n}=4e2e2−1
Q. n이 충분히 커지면 P(a)가 21로 수렴할 것 같은데, 그렇지 않은 이유가 무엇일까?A. 카드가 n장이고 시행 횟수가 kn이라면 P(a)=21−(1−n2)kn→21−e−2k이고, 이때 k가 무한대로 발산하면 P(a)가 21로 수렴한다. 즉, 횟수가 충분히 많아져 홀수 번과 짝수 번 뒤집힐 확률이 반반이 되는 것. 그러나 이 문제는 시행 횟수와 카드 수가 같은 n이라 둘이 같은 속도로 커지기 때문에 (1−n2)n→e−2이고, 21이 아닌 P(a)→21−e−2≈0.43으로 수렴하는 것이다.
다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.