한국항공대 2014학년도 수시 이학계열 2번 · mathesis.kr/archive/kau/2014su/ihak_2
문제
[문제 2] 다음 제시문을 읽고 답하시오.
OO항공사는 현재 50대의 항공기를 운용하고 있으며, 자사의 항공기 중 일부(또는 전부)를 연료효율이 높은 신형 항공기로 교체하는 것을 고려하고 있다. 신형 항공기 교체에 따르는 비용(cost)은 i) 항공기 자체에 대한 구입비용과 ii) 항공기 정비시설에 대한 구축비용으로 나뉜다. 항공기에 대한 구입비용은 교체 항공기 총 대수에 따른 할인을 적용 받을 수 있으며, 따라서 신형 항공기 1대 당 구입비용은 [표 1]에 나타난 바와 같다.
| 교체 항공기 총 대수 | 항공기 1대당 구입비용 |
|---|---|
| 1대~10대 | 5.5(백억원/대) |
| 11대~50대 | 5(백억원/대) |
정비시설에 대한 구축비용은 [표 2]에 나타난 바와 같다. 교체 항공기 대수가 30대 이하인 경우 기존 정비시설을 그대로 사용하는 것이 가능하며, 따라서 구축비용이 없는 것으로 판단한다. 하지만 교체 항공기 대수가 31대 이상인 경우에는 기존 정비시설에 추가적인 설비구축이 필요하며 따라서 비용이 발생한다.
| 교체 항공기 총 대수 | 정비시설 구축비용 |
|---|---|
| 1대~30대 | 0(백억원) |
| 31대~50대 | 7(백억원) |
신형으로 교체된 항공기는 향후 20년간 연료비 절감 효용(benefit)을 발생시킨다. 20년 이후에 발생하는 연료비 절감 효용은 무시한다. 또한 연료비 절감 이외의 효용은 무시한다. 신형항공기 1대가 향후 20년 동안에 발생시키는 총 연료비 절감 효용은 해당기간 동안의 평균국제유가에 따라 달라진다. [표 3]에 나타난 바와 같이 평균국제유가가 1(백달러/배럴)미만이면 연료비 절감 효용은 없는 것으로 판단한다.
| 향후 20년 동안의 평균국제유가 | 신형 항공기 1대가 향후 20년간 발생시키는 총 연료비 절감 효용 |
|---|---|
| 1(백달러/배럴)미만 | 0(백억원/대) |
| 1(백달러/배럴)이상 1.5(백달러/배럴)미만 | 5(백억원/대) |
| 1.5(백달러/배럴)이상 | 7(백억원/대) |
향후 20년 동안의 평균국제유가는 연속확률변수 로 나타나며 해당 확률밀도함수 는 식 (1)과 같이 주어진다. 식 (1)에서 의 단위는 (백달러/배럴)이다.
(1)
항공기 교체에 따른 이득(profit)이란 향후 20년간의 총 연료비 절감 효용(benefit)에서 교체에 드는 비용(cost)을 뺀 값이다. 교체에 드는 비용은 항공기 구입비용([표 1])과 정비시설 구축비용([표 2])을 더한 값을 의미한다. 반면, 손해란 이득이 음수가 되는 경우이다.
[문제 2-1] 제시문의 식 (1)에서 값을 구하여라.
[문제 2-2] ○○항공사는 항공기 20대를 신형으로 교체하기로 결정하였다.
i) 예상되는 이득의 기댓값(평균)은 얼마인지 구하여라.
ii) 손해를 보게 될 확률은 얼마인지 구하여라.
[문제 2-3]
i) ○○항공사의 이득의 기댓값을 최대로 하기 위해서는 몇 대의 항공기를 신형으로 교체하는 것이 최선인지 설명하고 이 때의 이득 기댓값을 구하여라.
ii) ○○항공사가 손해를 보게 될 확률을 최소로 하기 위해서는 몇 대의 항공기를 신형으로 교체하는 것이 최선인지 설명하여라. 단 손해를 보게 될 확률이 같은 경우 이득의 기댓값이 최대가 되는 교체 대수가 최선인 것으로 하고, 최소한 1대 이상의 신형 항공기를 도입하는 경우만 고려토록 한다.
한국항공대 2014학년도 수시 이학계열 2번 · mathesis.kr/archive/kau/2014su/ihak_2
[문제 2-1]
확률분포함수 를 총 구간 에 대해 적분하면 1이 되어야 한다. 확률분포함수 가 아래와 같은 삼각형 모양임을 이용하면 다음과 같이 값은 1로 구해진다.

[문제 2-2]
(i) 신형 항공기 도입에 따른 평균이득을 구하기 위해서는 평균효용과 평균비용을 각각 구한 후 이들의 차이를 계산하면 된다.
신형 항공기 1대를 통한 연료비 절감 효용은 향후 20년간 평균국제유가 에 따라 달라지며 평균값은 와 같이 구할 수 있다. 에 대한 확률분포함수가 삼각형 모양임을 이용하면 및 는 아래와 같이 구할 수 있다.

여기에 구입 항공기 대수 20을 곱하면 항공기 도입에 따른 연료비절감 효용의 평균은 다음과 같다.
평균효용 (백억원)
신형 항공기 도입 대수가 30대 이하이므로 정비시설 구축에 필요한 비용은 없으며 ([표2] 참조), 항공기 구입에 필요한 비용은 [표1]의 한 대 당 구입비용 5(백억원/대)에 총 구입대수 20을 곱하여 얻을 수 있다.
평균비용 (백억원)
따라서 항공기 20대를 신형으로 교체함으로 ○○항공사가 얻을 수 있는 이득의 기댓값(평균)은 평균효용과 평균비용의 차이인 7.5(백억원)이다.
ii) 항공사의 이득은 평균국제유가에 영향을 받는다. 평균국제유가에 따른 이득을 계산하면
a)
이득효용비용 (백억원)
b)
이득효용비용 (백억원)
c)
이득효용비용 (백억원)
따라서 항공사가 음의 이득, 즉 손해를 보는 경우는 a)에 해당하며,해당 확률은 아래 그림과 같이 0.125이다.

[문제 2-3]
(i) 신형 항공기 교체대수를 라 하면, 예상되는 효용의 평균은 아래와 같다.
평균효용 (식a)
신형 항공기로의 교체에 따른 비용은 교체되는 항공기의 대수에 따라 달라진다. 따라서 교체 항공기기 대수 의 범위를 다음과 같이 구간별로 나눈 후 각각에 대해 평균비용 및 이득을 아래와 같이 계산한다.
a)
평균비용항공기 구입비용정비시설 구축비용 (식b)
(교체 항공기 대수가 30대 이하이므로 정비시설 구축에 필요한 비용은 없으며([표2] 참조), 항공기 한 대당 구입단가는 [표1]에 따라 5.5(백억원/대)이다.)
평균이득은 평균효용(식a)에서 평균비용(식b)를 뺀 값으로서 로 구해진다. 평균이득은 교체항공기 대수에 대한 감소함수이므로, 평균이득을 최대로 만드는 교체 항공기 대수는 이며 이 때의 평균이득값은 0(백억원)이다.
b)
평균비용항공기 구입비용정비시설 구축비용 (식c)
(교체 항공기 대수가 30대 이하이므로 정비시설 구축에 필요한 비용은 없으며([표2] 참조, 항공기 한 대당 구입단가는 [표1]에 따라 5(백억원/대)이다.
평균이득은 평균효용(식a)에서 평균비용(식c)을 뺀 값으로서 로 구해진다. 평균이득은 교체항공기 대수에 대한 증가함수이므로, 평균이득을 최대로 만드는 교체 항공기 대수는 이며 이 때의 평균이득값은 11.25(백억원)이다.
c)
평균비용 항공기 구입비용정비시설 구축비용 (식d)
(교체 항공기 대수가 31대 이상이므로 정비시설 구축에 7(백억원)의 비용이 발생하며([표2] 참조), 항공기 한 대당 구입단가는 [표1]에 따라 5(백억원/대)이다.)
평균이득은 평균효용(식a)에서 평균비용(식d)를 뺀 값으로서 으로 구해진다. 평균이득은 교체항공기 대수에 대한 증가함수이므로, 평균이득을 최대로 만드는 교체 항공기 대수는 이며 이 때의 평균이득값은 11.75(백억원)이다.
a), b), c)의 내용을 조합하면, ○○항공사의 평균이득을 최대로 하는 신형 항공기 교체 대수는 50대이며 이 때의 평균이득은 11.75(백억원)이다.
ii) 신형 항공기 교체 대수를 라 하면, 교체 대수 및 평균국제유가의 범위에 따른 이득과 이득이 음수가 되는 확률은 다음과 같이 구해진다.
a) (교체항공기 대수가 1대 이상인 경우만 고려)
가)
이득
나)
이득
다)
이득
따라서 이득이 음수가 되는 확률
b)
가)
이득
나)
이득
다)
이득
따라서 이득이 음수가 되는 확률
c)
가)
이득
나)
이득
다)
이득 (왜냐하면 )
따라서 이득이 음수가 되는 확률
a), b), c)로부터 손해 확률을 최소로 하는 교체 대수의 범위는 이다. 또한 이 범위에서의 이익 기대치는 이며, 에서 최댓값을 가진다.
내용을 종합하면 손해 확률을 최소로 하는 교체 대수 중 이익의 기대치가 가장 높은 30대가 가장 최선의 선택이라고 할 수 있으며, 이 때 손해를 입게 될 확률은 0.125 그리고 이득의 기대치는 11.25(백억원)이다.
[문제 2-1] 확률밀도함수를 전 구간에 대해 적분하면 1이 된다는 사실에 대한 이해여부 확인한다.
[문제 2-2] 주어진 확률밀도함수를 이용하여 평균 및 확률값을 계산할 수 있는지 여부를 확인한다.
[문제 1-3] 최선의 항공기 교체대수를 결정하는 문제로서, 교체대수를 구간별로 체계적으로 전개한 후, 각 구간별로 평균 및 손해확률을 구함으로서 최선의 교체대수를 결정함. 풀이과정을 논리적으로 정리하고 설명할 수 있어야 한다.
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