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기댓값의 선형성과 독립 조건 구분하기

천안불당고등학교 학생의 풀이 기록에는 다음 문장이 먼저 적혀 있었다.

“두 확률변수의 합의 기댓값을 구하려면 X와 Y가 독립이어야 한다.”

이 판단은 계산보다 먼저 수정해야 할 오류였다. 기댓값의 선형성은 독립 여부와 관계없이 성립하기 때문이다. 불당과외에서는 이처럼 공식 자체에 붙은 조건이 정말 필요한지 먼저 확인한다.

하나의 식에서 출발하기

임의의 확률변수 X, Y에 대해 다음 식이 성립한다.

E(X+Y)=E(X)+E(Y)

두 변수가 독립인지 아닌지는 이 식의 성립 조건이 아니다. 확률변수의 결합분포가 어떻게 주어졌는지와 무관하게 기댓값의 합성은 가능하다.

독립 조건이 필요한 경우

독립 여부는 주로 곱의 기댓값이나 분산을 계산할 때 중요하다.

독립이면 E(XY)=E(X)E(Y)이고, 분산에서는 Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)가 성립한다. 그러나 일반적으로는 공분산 항이 포함되어

Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)+2Cov(X,Y)

가 된다.

의존하는 변수로 검증하기

동전 한 개를 던져 앞면이면 1, 뒷면이면 0이 되는 확률변수 X를 정하고 Y=X라 하자. 그러면 X와 Y는 완전히 의존하므로 독립이 아니다.

앞면과 뒷면의 확률이 각각 1/2이면

E(X)=1×1/2+0×1/2=1/2

E(Y)=1/2

또한 X+Y=2X이므로

E(X+Y)=0×1/2+2×1/2=1

한편

E(X)+E(Y)=1/2+1/2=1

따라서 독립이 아닌 경우에도 E(X+Y)=E(X)+E(Y)가 정확히 성립한다.

보기 판단 기준

“독립일 때만 두 확률변수 합의 기댓값을 구할 수 있다”는 보기는 틀렸다. 독립 조건을 기댓값의 선형성에 불필요하게 붙였기 때문이다.

반대로 “분산의 합을 계산할 때 독립 조건을 확인한다”는 설명은 조건을 점검해야 하므로 적절하다. 문제를 풀 때는 정답만 확인하지 말고, 어떤 조건이 실제로 필요한지 분류해야 새로운 문제에도 같은 판단을 적용할 수 있다.

불당지구 고2수학과외 학부모 후기

경시형 문제를 풀고 난 뒤 아이가 바로 답지를 찾지 않고, 종이에 남은 계산을 아래 줄부터 천천히 거슬러 올라가더라고요. 어디에서 흐름이 달라졌는지 보려는 듯 한 줄씩 짚어 가는 모습이어서 저도 잠깐 옆에 서서 보게 됐어요. 예예전에는 답이 맞는지만 확인하고 다른 풀이 가능성까지 다시 살피는 일은 거의 없었거든요. 불당지구 수학과외 이야기를 나누던 중에도 이런 장면이 있었다고 들었지만, 집에서 직접 본 건 그날이 처음이었어요. 단원평가 전날에는 문제를 다 푼 뒤 해설을 펼치기보다 자기 계산부터 같은 순서로 되짚었고, 다시 확인할 부분에는 표시도 해두었습니다. 표시한 곳을 따라 계산줄을 다시 살피는 모습이 전과는 달랐어요.

★★★★★학부모 후기

문제집과 자료를 챙기다가 아이가 멈춰 서 있길래 무슨 일인가 봤더니, 함수 문제의 그래프를 그냥 지나치지 않고 다시 그리고 있더라고요. 식을 옆에 펼쳐 놓은 채 그래프 모양이 식의 내용과 맞는지 하나씩 대조하고 있더라고요. 예전에는 공부가 끝나면 답이 맞았는지만 보고, 중간에 어떤 판단을 했는지는 다시 들여다보지 않았거든요. 불당지구 수학과외 이야기를 나누던 때에도 저는 이런 장면까지는 생각하지 못했어요. 그런데 시험과 상관없는 평일 밤, 다른 함수 자료를 보면서도 식과 그래프를 나란히 놓고 비교하는 모습이 또 보였습니다. 책상을 치우면서도 확인할 부분을 바로 정리하지 않고, 다음에 살펴볼 위치를 남겨 둔 채 자료를 펼쳐 놓았어요.

★★★★★학부모 후기

불당지구에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 아이는 질문을 어려워하고, 틀린 문제는 다시 보지 않은 채 진도만 빨리 나가려 했습니다. 어느 날 오답을 펼쳐 놓고 선생님과 편하게 대화하는 모습을 보니, 학교 과제와 시험 일정에 맞춰 그날 할 일과 다음에 볼 내용을 세심하게 나눠 주신 덕분인지 어려운 문제도 예전처럼 피하지 않게 되었습니다.

★★★★☆학부모 후기

예전에는 평일에 집에 와서 숙제를 시작해도 한 문제에서 막히면 금방 지치고 답만 확인하려 했습니다. 불당지구 수업을 들으며 다음 시간에 물어볼 문제를 스스로 표시하고, 시험 기간에는 풀이 과정을 먼저 말해 보면서 막힌 부분을 차분히 찾게 됐습니다. 요즘은 공부할 분량을 확인한 뒤 시작하는 모습이 자연스러워져 성적보다 그 변화가 더 반갑습니다.

★★★★★학부모 후기

불당지구에서 수학 과외를 시작한 뒤에도 처음에는 숙제를 미루다가 한꺼번에 하곤 했습니다. 선생님은 컨디션이 좋지 않은 날 문제 수를 줄이고, 아이가 직접 푼 과정을 지우지 않은 채 다시 살펴보며 핵심만 이해하도록 도와주셨습니다. 요즘은 공부를 시작하는 표정이 한결 편해졌고, 모르는 부분은 선생님께 다시 설명해 달라고 먼저 말하기도 합니다.

★★★★★학부모 후기