수리논술, 이게 다다.

경영경제계열 3번

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문제

다음 상황에 기초하여 문제에 답하시오.

• 용의자가 거짓말을 할 확률은 0.4이고 참말을 할 확률은 0.6이라고 가정한다.

• 과거의 자료에 의하면 용의자가 참말을 할 때 분당 심장 박동수는 평균이 90, 표준편차가 10인 정규분포를 따르고, 거짓말을 할 때 분당 심장 박동수는 평균이 120, 표준편차가 20인 정규분포를 따른다고 알려져 있다.

• 심장 박동수를 이용하는 거짓말 탐지기 A는 용의자가 말을 할 때 분당 심장 박동수가 100 이상이면 용의자가 거짓말을 한다고 판정한다.

• 거짓말 탐지기의 성능은 거짓말 탐지기가 거짓이라고 판정했을 때 실제로 용의자가 거짓말을 했을 확률로 평가한다.

[문제 3] 과학수사대에서 심장 박동수 대신 혈압을 이용하는 새로운 거짓말 탐지기 B를 만들었다. 거짓말 탐지기 B는 용의자가 거짓말을 했을 때 거짓이라고 판정할 확률과 참말을 했을 때 참이라고 판정할 확률이 같도록 설계되었다. 과학수사대가 실시한 실험에 의하면 거짓말 탐지기 B의 성능이 거짓말 탐지기 A에 비하여 20% 향상되었다고 한다. 그렇다면, 용의자가 거짓말을 했을 때 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정할 확률을 구하시오. 단, 필요한 경우 오른쪽 표준정규분포표를 이용하시오. [20점, 원고지 작성법을 준수할 필요 없음]

표준정규분포표

zzP(0≤Z≤z)P(0\le Z\le z)
0.50.50.190.19
110.340.34
1.51.50.430.43
220.480.48
해설강의 준비중

▶ 용의자가 거짓말을 한 사건을 C\displaystyle C라고 표기하고, 참말을 한 사건을 D\displaystyle D라고 표기하자. 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정할 사건을 F\displaystyle F라고 표기하고, 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정할 사건을 G\displaystyle G라고 표기하자.

▶ 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률은 P(C∣F)\displaystyle P(C|F)이고, 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률은 P(C∣G)\displaystyle P(C|G)이다.

+10점 · 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률을 올바르게 계산한 경우

▶ 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률 P(C∣F)\displaystyle P(C|F):◆ 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 때, 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 확률은 P(F∣C)\displaystyle P(F|C)이다. 거짓말을 하는 사람의 심장 박동수를 확률변수 X\displaystyle X라 하면, X\displaystyle X는 정규분포 N(120,202)\displaystyle N(120,20^2)을 따르므로 확률변수 Z=X−12020\displaystyle Z=\frac{X-120}{20}은 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle N(0,1)을 따른다. 거짓말 탐지기 A는 심장 박동수가 100 이상이면 용의자가 거짓말을 한다고 판정하므로, P(F∣C)\displaystyle P(F|C)는 확률변수 X\displaystyle X를 이용하여 P(X≥100)\displaystyle P(X\ge100)로 계산될 수 있다. 주어진 표준정규분포표를 통해 P(X≥100)\displaystyle P(X\ge100)은 다음과 같이 계산된다.P(X≥100)=P(Z≥100−12020)=P(Z≥−1)=0.5+P(0≤Z≤1)=0.5+0.34=0.84\displaystyle \begin{aligned}P(X\ge100)&=P\left(Z\ge\frac{100-120}{20}\right)\\&=P(Z\ge-1)\\&=0.5+P(0\le Z\le1)\\&=0.5+0.34\\&=0.84\end{aligned}

◆ 같은 원리로, 실제로 용의자가 참말을 하였을 때, 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 확률은 P(F∣D)\displaystyle P(F|D)이다. 참말을 하는 사람의 심장 박동수를 확률변수 Y\displaystyle Y라 하면, Y\displaystyle Y는 정규분포 N(90,102)\displaystyle N(90,10^2)을 따르므로 확률변수 Z=Y−9010\displaystyle Z=\frac{Y-90}{10}은 표준정규분포 N(0,1)\displaystyle N(0,1)을 따른다. 따라서 P(F∣D)\displaystyle P(F|D)는 확률변수 Y\displaystyle Y를 이용하여 P(Y≥100)\displaystyle P(Y\ge100)로 계산될 수 있고, P(Y≥100)\displaystyle P(Y\ge100)은 다음과 같다.P(Y≥100)=P(Z≥100−9010)=P(Z≥1)=0.5−P(0≤Z≤1)=0.5−0.34=0.16\displaystyle \begin{aligned}P(Y\ge100)&=P\left(Z\ge\frac{100-90}{10}\right)\\&=P(Z\ge1)\\&=0.5-P(0\le Z\le1)\\&=0.5-0.34\\&=0.16\end{aligned}

◆ 거짓말 탐지기 A가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률 P(C∣F)\displaystyle P(C|F)은 다음과 같다.P(C∣F)=P(F∩C)P(F)=P(F∩C)P(F∩C)+P(F∩D)=P(C)P(F∣C)P(C)P(F∣C)+P(D)P(F∣D)=410×84100410×84100+610×16100=79\displaystyle \begin{aligned}P(C|F)&=\frac{P(F\cap C)}{P(F)}\\&=\frac{P(F\cap C)}{P(F\cap C)+P(F\cap D)}\\&=\frac{P(C)P(F|C)}{P(C)P(F|C)+P(D)P(F|D)}\\&=\frac{\frac4{10}\times\frac{84}{100}}{\frac4{10}\times\frac{84}{100}+\frac6{10}\times\frac{16}{100}}\\&=\frac79\end{aligned}

+2점 · 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률을 올바르게 계산한 경우

▶ 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정하였을 때, 실제로 용의자가 거짓말을 하였을 확률은 P(C∣G)\displaystyle P(C|G)이고, 거짓말 탐지기 B의 성능이 거짓말 탐지기 A에 비하여 20% 향상되었으므로 P(C∣G)\displaystyle P(C|G)은 다음과 같이 계산된다.P(C∣G)=(1+20100)×P(C∣F)=65×79=1415\displaystyle \begin{aligned}P(C|G)&=\left(1+\frac{20}{100}\right)\times P(C|F)\\&=\frac65\times\frac79\\&=\frac{14}{15}\end{aligned}

+8점 · 용의자가 거짓말을 했을 때 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정할 확률을 올바르게 계산한 경우

▶ 용의자가 거짓말을 했을 때 거짓말 탐지기 B가 거짓이라고 판정할 확률 P(G∣C)\displaystyle P(G|C)을 p\displaystyle p라고 하자. 거짓말 탐지기 B는 용의자가 거짓말을 했을 때 거짓이라고 판정할 확률과 참말을 했을 때 참이라고 판정할 확률이 같으므로, P(G∣D)=1−p\displaystyle P(G|D)=1-p이다. P(C∣G)\displaystyle P(C|G)을 p\displaystyle p를 이용하여 표현하면 다음과 같다.P(C∣G)=P(G∩C)P(G)=P(G∩C)P(G∩C)+P(G∩D)=P(C)P(G∣C)P(C)P(G∣C)+P(D)P(G∣D)=410×p410×p+610×(1−p)\displaystyle \begin{aligned}P(C|G)&=\frac{P(G\cap C)}{P(G)}\\&=\frac{P(G\cap C)}{P(G\cap C)+P(G\cap D)}\\&=\frac{P(C)P(G|C)}{P(C)P(G|C)+P(D)P(G|D)}\\&=\frac{\frac4{10}\times p}{\frac4{10}\times p+\frac6{10}\times(1-p)}\end{aligned}

▶ 따라서, 410×p410×p+610×(1−p)=1415\displaystyle \frac{\frac4{10}\times p}{\frac4{10}\times p+\frac6{10}\times(1-p)}=\frac{14}{15}이므로 p=2122\displaystyle p=\frac{21}{22}이 된다.

※ 계산 실수로 틀렸어도 논리 전개 과정이 맞으면 해당 부분에 1~2점의 부분 점수를 부여함.

※ 각 부분에서 바르게 답안을 작성한 경우에도 답안의 완성도에 따라 총점 20점 이내에서 ±1점 추가 점수 부여 가능함.

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