■ 논제 Ⅲ-(1) 예시답안 (17점)
검은 돌과 흰 돌의 역할을 바꾸면 \(a_k = a_{6-k}\)가 성립한다. 먼저 검은 돌이 \(0\)개 또는 \(1\)개일 때는 회전하면 모두 일치하므로 \(a_0 = a_6 = 1,\ a_1 = a_5 = 1\)이다. \(\cdots\cdots \text{ <5점>}\)
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\(k = 2\)일 때 (\(a_2 = a_4\)): 두 검은 돌 사이의 정육각형 둘레 방향 최단 칸수(거리)는 \(1\)칸(이웃), \(2\)칸(한 칸 건너), \(3\)칸(마주 보는 대각선)의 \(3\)가지뿐이므로 \(a_2 = a_4 = 3\)이다. \(\cdots\cdots \text{ <6점>}\)
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\(k = 3\)일 때 (\(a_3\)): 정육각형 꼭짓점을 시계방향으로 \(1, 2, 3, 4, 5, 6\)이라 할 때, 전체 부분집합 \({}_6\mathrm{C}_3 = 20\)개를 회전 주기에 따라 분류하면 오른쪽 그림과 같이 ① 연속형 \(\{1, 2, 3\}\) (회전시 6개), ② 비대칭A \(\{1, 2, 4\}\) (회전시 6개), ③ 비대칭B \(\{1, 2, 5\}\) (회전시 6개), ④ 정삼각형 대칭형 \(\{1, 3, 5\}\) (회전시 2개)로 \(6 + 6 + 6 + 2 = 20\)개가 정확히 분할된다. 따라서 \(a_3 = 4\)이며, 총 원형 배치의 수는 \(N = 1 + 1 + 3 + 4 + 3 + 1 + 1 = 14\)이다. \(\cdots\cdots \text{ <6점>}\)
정답 (1): \(a_0 = 1,\ a_1 = 1,\ a_2 = 3,\ a_3 = 4,\ a_4 = 3,\ a_5 = 1,\ a_6 = 1,\quad N = 14\)
■ 논제 Ⅲ-(2) 예시답안 (20점)
\(N = 14\)장의 카드 중에서 뽑힌 카드에 검은 돌이 \(k\)개 그려져 있는 사건을 \(A_k\ (k = 0, 1, \dots, 6)\)라 하면, 각 카드는 동일한 확률로 뽑히므로 \(\mathrm{P}(A_k) = \dfrac{a_k}{14}\)이다. 검은 돌이 \(k\)개인 카드에서 \(6\)개의 꼭짓점 중 임의로 택한 \(2\)개가 모두 검은 돌일 조건부확률은
\[ \mathrm{P}(E \mid A_k) = \frac{{}_k\mathrm{C}_2}{{}_6\mathrm{C}_2} = \frac{{}_k\mathrm{C}_2}{15} \quad (\text{단, } k \le 1\text{일 때는 } 0) \quad \cdots\cdots \text{ <8점>} \]
이다. 따라서 제시문 [다]의 전확률 공식에 의하여 사건 \(E\)가 일어날 확률 \(\mathrm{P}(E)\)는
\[ \mathrm{P}(E) = \sum_{k=2}^{6} \mathrm{P}(A_k)\mathrm{P}(E \mid A_k) = \frac{1}{14 \times 15}\sum_{k=2}^{6} a_k\cdot {}_k\mathrm{C}_2 = \frac{3\times 1 + 4\times 3 + 3\times 6 + 1\times 10 + 1\times 15}{14 \times 15} = \frac{3 + 12 + 18 + 10 + 15}{210} = \frac{58}{210} \quad \cdots\cdots \text{ <7점>} \]
이다. 이 중 \(k = 3\)인 경우에 해당하는 분자의 항은 \(a_3\cdot {}_3\mathrm{C}_2 = 4 \times 3 = 12\)이므로 구하는 조건부확률은 다음과 같다. \(\cdots\cdots \text{ <5점>}\)
\[ \mathrm{P}(A_3 \mid E) = \frac{\mathrm{P}(A_3 \cap E)}{\mathrm{P}(E)} = \frac{12 / 210}{58 / 210} = \frac{12}{58} = \frac{6}{29} \]
정답 (2): \(\mathrm{P}(k = 3 \mid E) = \dfrac{6}{29}\)