수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

우리나라 가구별 가정용 전기요금은 많이 사용할수록 단가가 증가하는 누진제를 채택하고 있다. 이에 관하여 다음 물음에 답하시오. [40점]

(1) 다음 표는 현재 가구별 월간 사용량에 따른 구간별 단가를 나타낸 것이다. 예를 들어 월 150(kWh)를 사용한 가구는, 1~100(kWh)까지는 60(원/kWh)의 단가를 적용받고 101~150까지 50(kWh)에 대하여는 120(원/kWh)의 단가를 적용받아 월 12,000(원)을 납부한다.

월간 사용량 구간
(kWh)
1~100101~200201~300301~400401~500501~
구간별 단가
(원/kWh)
60120180270400680

가구별 월간 사용량이 1.5배 증가할 때, 6단계 누진제의 사용량 구간과 구간별 단가가 고정되어 있으면 요금을 1.5배 이상 부담하게 된다. 6단계 누진체계를 유지하면서, 매월 현재보다 1.5배의 전력을 사용한 가구가 각각 1.5배의 요금을 납부하도록 하려면, 6개의 월간 사용량 구간과 각 구간별 단가를 얼마로 조정하여야 하는지 제시하시오. (단, 계산의 편의를 위하여 현재는 1(kWh)단위로, 사용량이 1.5배 증가한 시점에는 0.5(kWh)단위로 요금을 부과한다고 하자.)

(2) 500(kWh)를 초과하는 일부 예외적 가구를 제외하면, 전체 가구 중 월 사용량이 x\displaystyle x(kWh)인 가구의 비율 f(x)\displaystyle f(x)는 근사적으로 x(500−x)\displaystyle x(500-x)에 비례한다. (단, 0≤x≤500\displaystyle 0\le x\le500.) 이 근사식에 의해 전체 가구 중 월 사용량에 따라 차지하는 비율을 100(kWh) 단위로 구하고, 아래 2011년도 실제 자료와 비교하여 구간별 비율의 대소를 비교하시오.

월간 사용량 구간
(kWh)
0이상
100이하
100초과
200이하
200초과
300이하
300초과
400이하
400초과
월간 사용량
가구별 분표 (%)
15.222.029.624.78.5

(3) 현행 요금체계에서 사용량 x\displaystyle x(kWh)에 대한 단가는 근사적으로 g(x)=45x\displaystyle g(x)=\frac45x이고, 300(kWh)에 대한 단가는 100(kWh)에 대한 단가의 3배이다. 이때, 월 x\displaystyle x(kWh)를 사용한 가구의 전기요금은 G(x)=25x2\displaystyle G(x)=\frac25x^2이고, 전체 가구가 납부하는 전기요금 I\displaystyle I를 (2)에서 구한 가구별 사용량 분포함수 f(x)\displaystyle f(x)를 이용하면 I=∫0500G(x)f(x) dx\displaystyle I=\int_0^{500}G(x)f(x)\,dx와 같이 구할 수 있다고 가정하자. 사용량 x\displaystyle x(kWh)에 대한 단가를 h(x)=a+bx\displaystyle h(x)=a+bx로 조정하여, 300(kWh)에 대한 단가가 100(kWh)에 대한 단가의 2배가 되도록 하면서 전체 가구가 납부한 전기요금을 동일하게 유지할 수 있게 하는 a,b\displaystyle a,b를 구하고, 이와 같이 조정한 요금체계에서 납부요금이 줄어드는 혜택을 받는 가구의 사용량 구간을 제시하시오.

해설강의 준비중

(1) 아래 표와 같이 사용량 구간의 상한, 하한 값을 각각 1.5배로 하고 구간별 단가를 같게 유지하면, 누구나 1.5배 사용에 1.5배 요금이 부과된다.

월간 사용량 구간
(kWh)
0.5~150150.5~300300.5~450450.5~600600.5~750750.5~
구간별 단가
(원/kWh)
60120180270400680
구간별 단가
(원/0.5kWh)
306090135200340

(2) f(x)\displaystyle f(x)는 근사적으로 x(500−x)\displaystyle x(500-x)에 비례하므로 근사식을f(x)=kx(500−x)\displaystyle f(x)=kx(500-x) (k\displaystyle k는상수)로 둘 수 있다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정의에 의해 ∫0500f(x) dx=∫0500kx(500−x) dx=1\displaystyle \int_0^{500}f(x)\,dx=\int_0^{500}kx(500-x)\,dx=1이므로 k=65003\displaystyle k=\frac6{500^3}이다.전체 가구 중 월 사용량에 따라 차지하는 비율을 100(kWh) 단위로 구하면∫0100f(x) dx=∫0100kx(500−x) dx=136×1003×65003=104103∫100200f(x) dx=∫100200kx(500−x) dx=316×1003×65003=248103∫200300f(x) dx=∫200300kx(500−x) dx=376×1003×65003=296103∫300400f(x) dx=∫300400kx(500−x) dx=316×1003×65003=248103∫400500f(x) dx=∫400500kx(500−x) dx=136×1003×65003=104103\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{100}f(x)\,dx&=\int_0^{100}kx(500-x)\,dx=\frac{13}6\times100^3\times\frac6{500^3}=\frac{104}{10^3}\\\int_{100}^{200}f(x)\,dx&=\int_{100}^{200}kx(500-x)\,dx=\frac{31}6\times100^3\times\frac6{500^3}=\frac{248}{10^3}\\\int_{200}^{300}f(x)\,dx&=\int_{200}^{300}kx(500-x)\,dx=\frac{37}6\times100^3\times\frac6{500^3}=\frac{296}{10^3}\\\int_{300}^{400}f(x)\,dx&=\int_{300}^{400}kx(500-x)\,dx=\frac{31}6\times100^3\times\frac6{500^3}=\frac{248}{10^3}\\\int_{400}^{500}f(x)\,dx&=\int_{400}^{500}kx(500-x)\,dx=\frac{13}6\times100^3\times\frac6{500^3}=\frac{104}{10^3}\end{aligned}이므로 월 사용량에 따라 차지하는 비율을 근사식에 의해 구하면 다음표와 같다.

월간 사용량 구간
(kWh)
0이상
100이하
100초과
200이하
200초과
300이하
300초과
400이하
400초과
월간 사용량
가구별 분포 (%)
10.424.829.624.810.4

2011년도 실제 자료와 비교하여 구간별 비율의 대소를 비교하면 다음과 같다.

월간 사용량 구간
(kWh)
0이상
100이하
100초과
200이하
200초과
300이하
300초과
400이하
400초과
월간 사용량
가구별 분포 (%)
_근삿값
10.424.829.624.810.4
근삿값이작다크다같다크다크다
월간 사용량
가구별 분포 (%)
_2011년 실제 자료
15.222.029.624.78.5

(3) 100(kWh)에 대한 단가와 300(kWh)에 대한 단가가 2배가 되려면2(a+100b)=a+300b\displaystyle 2(a+100b)=a+300b, 즉 a=100b\displaystyle a=100b를 만족하여야 한다. 또한 전체 전기요금이 같기 위한 조건은∫0500(25x2)x(500−x) dx=∫0500(ax+b2x2)x(500−x) dx\displaystyle \int_0^{500}\left(\frac25x^2\right)x(500-x)\,dx=\int_0^{500}\left(ax+\frac b2x^2\right)x(500-x)\,dx이므로[200x44−25x55]0500=[500ax33+(500b2−a)x44−b2x55]0500\displaystyle \Biggl[200\frac{x^4}4-\frac25\frac{x^5}5\Biggr]_0^{500}=\Biggl[500a\frac{x^3}3+\left(500\frac b2-a\right)\frac{x^4}4-\frac b2\frac{x^5}5\Biggr]_0^{500}이다. a=100b\displaystyle a=100b를 대입하여 정리하면5004[50−225500]=5004[1003+(5002−100)14−125005]b\displaystyle 500^4\left[50-\frac2{25}500\right]=500^4\left[\frac{100}3+\left(\frac{500}2-100\right)\frac14-\frac12\frac{500}5\right]b이므로 a=48, b=1225\displaystyle a=48,\ b=\frac{12}{25}이다.

따라서 새 요금제에서 납부요금이 저렴한 구간은 25x2>48x+625x2\displaystyle \frac25x^2>48x+\frac6{25}x^2, 즉 225x(2x−600)>0\displaystyle \frac2{25}x(2x-600)>0이므로 월 사용량이 300(kWh)을 초과하는 가구가 혜택을 얻게 된다.

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