수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

(주)한국음료에서는 사과주스를 경기, 대구 두 공장에서 전량 생산하고 있다. 각 공장에서 하루동안 생산되는 사과주스 병의 총 개수 및 병당 사과주스 양의 평균과 분산은 다음과 같다.

 경기공장대구공장
사과주스 병의 총 개수nan_anbn_b
병당 사과주스 양의 평균mam_ambm_b
병당 사과주스 양의 분산σa2\sigma_a^2σb2\sigma_b^2

※참고: 공장 별 하루 동안의 생산 기준이며, na>0\displaystyle n_{{a}} > 0, nb>0\displaystyle n_{{b}} > 0이다.

(1) 두 공장 전체(즉, 경기공장과 대구공장)에서 하루 동안 생산되는 병당 사과주스 양의 평균을 구하시오.

(2) 두 공장 전체에서 하루 동안 생산되는 병당 사과주스 양의 분산을 다음과 같은 형태로 표현하고자 한다. na\displaystyle n_{{a}}, nb\displaystyle n_{{b}}, ma\displaystyle m_{{a}}, mb\displaystyle m_{{b}}만을 이용하여 빈 칸 ㉠, ㉡, ㉢에 들어갈 식을 각각 구하시오.

(㉠)×σa2+(㉡)×σb2+nanb(na+nb)2×(㉢)\displaystyle (\quad\text{㉠}\quad)\times\sigma_a^2+(\quad\text{㉡}\quad)\times\sigma_b^2+\frac{n_an_b}{(n_a+n_b)^2}\times(\quad\text{㉢}\quad)

(3) (주)한국음료에서는 각 개별 공장의 병당 사과주스 양의 평균을 조절하려고 한다. 이 경우, 두 공장 전체에서 생산되는 병당 사과주스 양의 분산을 최소화하기 위한 방법을 서술하고, 이때의 분산을 구하시오. 단, 각 개별 공장을 기준으로 평균 변화에 따른 사과주스 병의 개수와 병당 사과주스 양의 분산은 변화가 없다.

해설강의 준비중
+4점 · 풀이과정 및 모평균 식을 제대로 구한 경우 (4점) 풀이과정 없이 모평균 식만 구한 경우 (2점)

(1) 경기공장에서 생산되는 사과주스 병 i\displaystyle i의 양을 Xi\displaystyle X_i, 대구공장에서 생산되는 사과주스 병 i\displaystyle i의 양을 Yi\displaystyle Y_i라고 할 경우,

ma=∑i=1naXina, mb=∑i=1nbYinb\displaystyle m_a=\frac{\sum_{i=1}^{n_a}X_i}{n_a},\ m_b=\frac{\sum_{i=1}^{n_b}Y_i}{n_b}로 표현할 수 있다.

이때, 두 공장 전체(즉, 경기공장과 대구공장)에서 하루 동안 생산되는 병당 사과주스 양의 평균은 전체 공장에서 생산되는 사과주스 양의 총합을 전체 공장에서 생산되는 사과주스의 개수로 나누어 구할 수 있다. 즉, 경기공장에서 생산되는 사과주스 양의 총합 =∑i=1naXi=nama\displaystyle =\sum_{i=1}^{n_a}X_i=n_am_a, 대구공장에서 생산되는 사과주스 양의 총합 =∑i=1nbYi=nbmb\displaystyle =\sum_{i=1}^{n_b}Y_i=n_bm_b이고, 전체 공장에서 생산되는 사과주스의 개수는 na+nb\displaystyle n_a+n_b이므로, 전체 공장의 모평균은 ∑i=1naXi+∑i=1nbYina+nb=nama+nbmbna+nb\displaystyle \frac{\sum_{i=1}^{n_a}X_i+\sum_{i=1}^{n_b}Y_i}{n_a+n_b}=\frac{n_am_a+n_bm_b}{n_a+n_b}이 된다.

+8점 · ㉠, ㉡은 각각 2점씩, ㉢은 4점 부여 풀이과정이 없는 경우 (2)번 획득 점수의 50%만 부여

(2)

(㉠)×σa2+(㉡)×σb2+nanb(na+nb)2×(㉢)\displaystyle (\quad\text{㉠}\quad)\times\sigma_a^2+(\quad\text{㉡}\quad)\times\sigma_b^2+\frac{n_an_b}{(n_a+n_b)^2}\times(\quad\text{㉢}\quad)

경기공장과 대구공장의 분산은 각각

σa2=∑i=1na(Xi)2na−(ma)2, σb2=∑i=1nb(Yi)2nb−(mb)2\displaystyle \sigma_a^2=\frac{\sum_{i=1}^{n_a}(X_i)^2}{n_a}-(m_a)^2,\ \sigma_b^2=\frac{\sum_{i=1}^{n_b}(Y_i)^2}{n_b}-(m_b)^2로 표현될 수 있고,

공식 σ2=E(X2)−E(X)2\displaystyle \sigma^2=E(X^2)-E(X)^2을 활용하여,

σa∪b2=∑i=1na(Xi)2+∑i=1nb(Yi)2na+nb−(∑i=1naXi+∑i=1nbYina+nb)2=na(σa2+(ma)2)+nb(σb2+(mb)2)na+nb−(nama+nbmbna+nb)2=nana+nbσa2+nbna+nbσb2+nanb(na+nb)2(ma−mb)2\displaystyle \begin{aligned}\sigma_{a\cup b}^2&=\frac{\sum_{i=1}^{n_a}(X_i)^2+\sum_{i=1}^{n_b}(Y_i)^2}{n_a+n_b}-\left(\frac{\sum_{i=1}^{n_a}X_i+\sum_{i=1}^{n_b}Y_i}{n_a+n_b}\right)^2\\&=\frac{n_a(\sigma_a^2+(m_a)^2)+n_b(\sigma_b^2+(m_b)^2)}{n_a+n_b}-\left(\frac{n_am_a+n_bm_b}{n_a+n_b}\right)^2\\&=\frac{n_a}{n_a+n_b}\sigma_a^2+\frac{n_b}{n_a+n_b}\sigma_b^2+\frac{n_an_b}{(n_a+n_b)^2}(m_a-m_b)^2\end{aligned}

즉, ㉠=nana+nb\displaystyle =\frac{n_a}{n_a+n_b}, ㉡=nbna+nb\displaystyle =\frac{n_b}{n_a+n_b}, ㉢=(ma−mb)2\displaystyle =(m_a-m_b)^2

+8점 · 평균이 같아야 한다고 서술하였으나 이때 분산을 구하지 못함 (1점) 평균이 같아야 한다고 서술하고 이때 분산을 정확하게 구함 (8점)

(3) 각 공장별로 생산하는 사과주스 병의 개수와 병당 사과주스 양의 분산은 변화하지 않으므로, (2) 결과의 1, 2번째 항은 변하지 않는다. 3번째 항에 포함되어 있는 각 공장별 병당 사과주스 양의 평균값(즉, ma,mb\displaystyle m_a,m_b)은 조절이 가능하므로, 이 값을 조절하여 전체 분산 식을 최소로 만들면 된다. 이때, 이 3번째 항은 언제나 0보다 크거나 같기 때문에, 이를 최소로 만드는 방법은 ma\displaystyle m_a와 mb\displaystyle m_b를 같게 하는 방법이며, 이렇게 하면 해당 항을 0으로 만들 수 있다. 즉, 두 공장에서 생산하는 병당 주스 양의 평균을 같도록 조절한다. 이때 분산은 다음과 같다.

nana+nbσa2+nbna+nbσb2\displaystyle \frac{n_a}{n_a+n_b}\sigma_a^2+\frac{n_b}{n_a+n_b}\sigma_b^2

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