수리논술, 이게 다다.

인문사회계 Ⅱ 2번

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문제

[다]

국제 거래에서 한 나라가 다른 나라보다 어떤 재화를 생산하는 데 동일한 생산 요소를 투입해서 더 많이 생산하거나, 그 나라보다 적은 생산 요소를 투입해서 더 싸게 생산할 수 있을 때, 즉 다른 나라보다 낮은 생산비로 생산할 수 있는 능력을 절대 우위라고 한다. 두 나라가 각각 절대 우위를 가진 재화와 서비스를 특화 생산하여 교환하면 두 나라 모두에게 이익이 된다는 이론이 절대 우위론이다. 무역을 할 때, A국이 B국보다 생산비가 절대적으로 적게 드는 재화와 서비스를 생산하여 B국에 수출하고, 생산비가 절대적으로 많이 드는 재화와 서비스를 B국으로부터 수입하면 모두에게 이익이 된다.

한 단위 생산 비용
구분휴대 전화옷
A국10달러12달러
B국15달러8달러

위 표와 같이, 휴대 전화 생산은 A국이 10달러이고, B국이 15달러이므로 A국이 더 싸게 생산할 수 있다. 반면, 옷 생산은 A국이 12달러이고 B국이 8달러이므로 B국이 더 싸게 생산할 수 있다. 이때 A국은 휴대 전화 생산에 B국은 옷 생산에 절대 우위가 있다고 한다. 양국 모두 절대 우위에 있는 상품을 특화하여 1:1로 교환하면 A국은 20달러, B국은 16달러로 휴대 전화 1대와 옷 1벌씩을 얻을 수 있게 되므로 무역 전보다 A국은 2달러, B국은 7달러의 무역 이익이 발생한다.

- 고등학교 ‘경제’ 교과서

[라]

일반적으로 이산확률변수 X\displaystyle X가 다음 표와 같은 확률분포

XXx1x_1x2x_2⋯xnx_n합계
P(X=xi)P(X=x_i)p1p_1p2p_2⋯pnp_n1

를 가진다고 할 때, 확률변수 X\displaystyle X의 값과 그 확률의 곱의 총합

x1p1+x2p2+⋯+xnpn\displaystyle x_1p_1+x_2p_2+\cdots+x_np_n

을 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값 또는 평균이라 하고, 기호 E(X)\displaystyle E(X)로 나타낸다.

- 고등학교 ‘확률과 통계’ 교과서

[마]

요즘은 갖가지 금융 상품이 개발되면서 저축 수단으로 금융 투자를 선택하는 사람들이 늘어나고 있다. 금융 투자는 예금보다 높은 수익을 얻을 수도 있지만, 때로는 원금까지도 손실을 볼 수도 있기 때문에 신중하게 선택하여야 한다. 합리적인 자산 관리를 위해서는 예금과 금융 투자의 대상이 되는 다양한 금융 상품의 특징을 잘 이해하여야 한다. 일반적으로 자산 관리를 위해 구입하는 금융 상품으로는 예금과 적금, 주식, 채권, 펀드, 보험, 연금 등이 있다.

- 고등학교 ‘경제’ 교과서

[문제 2-1]

A와 B 두 국가는 제품 X와 Y를 생산하고 상호간 무역을 진행하고 있다. 아래 표는 두 국가의 각 제품별 n\displaystyle n년도 단위생산비용이다.

한 단위 생산 비용
구분XY
A국3×45−n3\times4^{5-n}21−n2^{1-n}
B국21−n2^{1-n}3×45−n3\times4^{5-n}

n≥1\displaystyle n\ge1년도 A의 무역이익 an\displaystyle a_n과 누적무역이익 ∑n=1∞an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n을 구하고, 시간이 지남에 따라 A의 수출과 수입 제품의 구성이 어떻게 변하는지 설명하라. 단, A와 B는 제시문 [다]에서 설명하는 원리에 따라 상호 무역을 진행하며, 교환은 매년 한 단위만 이루어진다. (15점)

[문제 2-2]

A사와 B사는 스마트폰 시장에서 점유율을 다투는 경쟁사이다. 신제품 출시와 관련하여 A사와 B사의 지난 10년간 시장 점유율 평균은 다음과 같다. A사와 B사가 동시에 신제품을 출시했을 경우, A사는 평균 10%의 시장 점유율을 보였고 B사는 평균 12%의 시장점유율을 보였다. A사만 신제품을 출시했을 경우, A사는 평균 12%의 시장점유율을 보였고 B사는 평균 10%의 시장점유율을 보였다. B사만 신제품을 출시했을 경우, A사는 평균 a\displaystyle a%의 시장점유율을 보였고 B사는 평균 c\displaystyle c%의 시장점유율을 보였다. A사와 B사 모두 다 신제품을 출시하지 않았을 경우, A사는 평균 b\displaystyle b%의 시장점유율을 보였고 B사는 평균 d\displaystyle d%의 시장점유율을 보였다.

B사가 신제품을 출시할 확률을 p\displaystyle p, A사가 신제품을 출시할 경우 A사의 시장 점유율을 X\displaystyle X, A사가 신제품을 출시하지 않을 경우 A사의 시장 점유율을 Y\displaystyle Y라고 하자. 단, X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y는 지난 10년간 A사의 시장 점유율의 평균을 값으로 가지는 확률변수이다.

제시문 [라]를 이용하여 확률분포 및 X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y의 기댓값을 구하고, 이 결과를 사용하여 A사의 신제품 출시 여부와 그 이유를 간단히 설명하라. 단, B사의 신제품 출시 확률이 p=0.5\displaystyle p=0.5인 경우, X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y의 기댓값은 같다. (20점)

[문제 2-3]

금융회사 V는 새로운 금융 상품 X를 개발하였다. 상품 X는 원금 P0\displaystyle P_0를 투자하고 투자 시점부터 시간 t\displaystyle t가 지났을 때 P(t)\displaystyle P(t)만큼 가격을 보장하는 상품이다. P(t)\displaystyle P(t)는 다음과 같이 주어진다.

P(t)=P0art.\displaystyle P(t)=P_0a^{rt}.

a\displaystyle a와 r\displaystyle r은 시간에 따라 변하지 않는 양의 상수이며 a\displaystyle a는 1보다 크다.

기업 U는 금(gold) Y를 소유하고 있다. 시장에서 시간 t\displaystyle t에 따른 금 Y의 가격 Q(t)\displaystyle Q(t)는 다음과 같다.

Q(t)=cat3.\displaystyle Q(t)=ca^{\sqrt[3]t}.

위 식에서 c\displaystyle c는 양의 상수이고 현재 시점은 t=0\displaystyle t=0이다.

제시문 [마]와 같이 U는 기업의 자산 가치를 높이기 위해 Y를 활용하고자 한다. U가 시장에서 Y의 가격 상승을 기대하고 Y를 계속 소유하는 것보다 일정 시점에는 Y를 팔아 생긴 현금을 금융 상품 X에 투자하는 것이 U의 자산 가치를 더 높일 수 있음을 보여라. 그리고 파는 것이 최선이 되는 시점을 구하라. (25점)

해설강의 준비중

[문제 2-1] 예시답안

먼저, 제품 X 혹은 제품 Y에 대하여 두 국가의 절대 우위 현황에 대하여 파악한다.

(과정 1) 다음과 같이, 제품 X에 대하여 A국의 생산비용의 대소를 확인하면 다음과 같다. 제품 Y를 고려해도 동일한 결과를 얻는다.

3×45−n/21−n=3×29−n>1 ⇔ 9−n≥−1 ⇔ n≤10.\displaystyle 3\times4^{5-n}/2^{1-n}=3\times2^{9-n}>1\ \Leftrightarrow\ 9-n\ge-1\ \Leftrightarrow\ n\le10.

(과정 2) 따라서 n≤10\displaystyle n\le10이면 A는 Y에 절대 우위이고 n≥11\displaystyle n\ge11이면 A는 X에 절대 우위이다.즉, n≤10\displaystyle n\le10이면 A는 Y만 B는 X만 생산하여 수출하고, n≥11\displaystyle n\ge11이면 반대이다.

다음으로 A의 무역이익 an\displaystyle a_n을 계산한다.

(과정 3) n≤10\displaystyle n\le10인 경우 다음과 같다. (X,Y 생산 vs Y,Y 생산)

an=(3×45−n+21−n)−(21−n+21−n)=3×45−n−21−n, n≤10\displaystyle a_n=(3\times4^{5-n}+2^{1-n})-(2^{1-n}+2^{1-n})=3\times4^{5-n}-2^{1-n},\ n\le10

(과정 4) n≥11\displaystyle n\ge11인 경우 다음과 같다. (X,Y 생산 vs X,X 생산)

an=(3×45−n+21−n)−(3×45−n+3×45−n)=21−n−3×45−n, n≥11.\displaystyle a_n=(3\times4^{5-n}+2^{1-n})-(3\times4^{5-n}+3\times4^{5-n})=2^{1-n}-3\times4^{5-n},\ n\ge11.

마지막으로 A의 누적무역이익 ∑n=1∞an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n을 계산한다.

(과정 5) n≤10\displaystyle n\le10인 경우 다음과 같다.

∑n=110an={3×44×1−(1/4)101−1/4−1×1−(1/2)101−1/2}=210−2−10−2+2−9.\displaystyle \sum_{n=1}^{10}a_n=\left\{3\times4^4\times\frac{1-(1/4)^{10}}{1-1/4}-1\times\frac{1-(1/2)^{10}}{1-1/2}\right\}=2^{10}-2^{-10}-2+2^{-9}.

(과정 6) n≥11\displaystyle n\ge11인 경우 다음과 같다.

∑n=11∞an=2−10×11−1/2−3×4−6×11−1/4=2−9−2−10.\displaystyle \sum_{n=11}^\infty a_n=2^{-10}\times\frac1{1-1/2}-3\times4^{-6}\times\frac1{1-1/4}=2^{-9}-2^{-10}.

(과정 7) 위 결과를 종합하면, n≥1\displaystyle n\ge1인 기간 동안 A가 얻을 수 있는 누적무역이익은 다음과 같다.

210−2−10−2+2−9+2−9−2−10=210−21+2−9.\displaystyle 2^{10}-2^{-10}-2+2^{-9}+2^{-9}-2^{-10}=2^{10}-2^1+2^{-9}.

[문제 2-2] 예시답안 Ⅰ: a\displaystyle a를 이용한 풀이

(과정 1) A사의 내년도 시장점유율 X\displaystyle X(출시)와 Y\displaystyle Y(비출시)의 확률분포는 각각 다음과 같다.

xx1012
P(X=x)P(X=x)pp1−p1-p
yyaabb
P(Y=y)P(Y=y)pp1−p1-p

(과정 2) 따라서 X\displaystyle X와 Y\displaystyle Y의 기댓값은 다음과 같다.

E(X)=10p+12(1−p)=−2p+12,\displaystyle E(X)=10p+12(1-p)=-2p+12,

E(Y)=ap+b(1−p)=(a−b)p+b.\displaystyle E(Y)=ap+b(1-p)=(a-b)p+b.

(과정 3) p=0.5\displaystyle p=0.5인 경우 두 기댓값이 같아지므로

−2×0.5+12=11=(a−b)×0.5+b=(a+b)/2 ⇔ b=22−a\displaystyle -2\times0.5+12=11=(a-b)\times0.5+b=(a+b)/2\ \Leftrightarrow\ b=22-a 또는 a+b=22\displaystyle a+b=22

(과정 4) 따라서 Y\displaystyle Y의 기댓값은 다음과 같다.

E(Y)=2(a−11)p+22−a.\displaystyle E(Y)=2(a-11)p+22-a.

(결과해석) 만약 22−a<12⇔a>10\displaystyle 22-a<12\Leftrightarrow a>10이면 다음과 같다.

p<0.5 ⇒ E(X)>E(Y),\displaystyle p<0.5\ \Rightarrow\ E(X)>E(Y),

p>0.5 ⇒ E(X)<E(Y)\displaystyle p>0.5\ \Rightarrow\ E(X)<E(Y)

B사의 출시 확률이 0.5보다 작으면, A사는 신제품을 출시하고 0.5보다 크면 출시하지 않는다.

마찬가지로 만약 22−a>12⇔a<10\displaystyle 22-a>12\Leftrightarrow a<10이면 다음과 같다.

p<0.5 ⇒ E(X)<E(Y),\displaystyle p<0.5\ \Rightarrow\ E(X)<E(Y),

p>0.5 ⇒ E(X)>E(Y).\displaystyle p>0.5\ \Rightarrow\ E(X)>E(Y).

B사의 출시 확률이 0.5보다 작으면, A사는 신제품을 출시하지 않고 0.5보다 크면 출시한다.

p=0.5\displaystyle p=0.5이거나 a=10\displaystyle a=10인 경우, A사는 어떤 선택을 해도 A사의 시장점유율에 영향을 끼치지 않는다.

[문제 2-3] 예시답안

U가 Y를 팔지 않고 계속 보유하는 경우와 t=t0\displaystyle t=t_0에서 Y를 팔아 X에 투자한 경우를 비교해보자.

(과정 1) 그 비율은 다음 식으로 주어진다.

시간 t에서 Q(t)시간 t에서 P(t)=cat3cat03ar(t−t0)=1at03−rt0at3−rt\displaystyle \frac{\text{시간 }t\text{에서 }Q(t)}{\text{시간 }t\text{에서 }P(t)}=\frac{ca^{\sqrt[3]t}}{ca^{\sqrt[3]{t_0}}a^{r(t-t_0)}}=\frac1{a^{\sqrt[3]{t_0}-rt_0}}a^{\sqrt[3]t-rt}

t→∞\displaystyle t\to\infty일 때 t3−rt→−∞\displaystyle \sqrt[3]t-rt\to-\infty이다.

a>1\displaystyle a>1이므로 시간이 충분히 흐르면 비율이 1보다 작아지므로 계속 보유하고 있는 것이 손해이다. 따라서 어느 시점에는 Y를 팔아 그 금액을 X에 투자하는 것이 더 이익이다.

(과정 2) 두 시점 t0,t1\displaystyle t_0,t_1에서 Y를 팔아 X에 투자하였을 때 시간 t\displaystyle t에서 두 투자금을 계산해서 비교해보자.

시점 t0\displaystyle t_0에서 팔아 X에 투자하였을 때 투자금은 cat03ar(t−t0)=cartat03−rt0\displaystyle ca^{\sqrt[3]{t_0}}a^{r(t-t_0)}=ca^{rt}a^{\sqrt[3]{t_0}-rt_0}이고

시점 t1\displaystyle t_1에서 팔아 X에 투자하였을 때 투자금은 cat13ar(t−t1)=cartat13−rt1\displaystyle ca^{\sqrt[3]{t_1}}a^{r(t-t_1)}=ca^{rt}a^{\sqrt[3]{t_1}-rt_1}이다.

비교를 통해 최고의 이득을 얻기 위해서는 at3−rt\displaystyle a^{\sqrt[3]t-rt}의 값이 최대가 되어야 한다.

a>1\displaystyle a>1일 때 지수함수는 증가함수이므로 at3−rt\displaystyle a^{\sqrt[3]t-rt}이 최댓값이 되기 위해서는 지수 t3−rt=x−rx3 (x=t3라 두면)\displaystyle \sqrt[3]t-rt=x-rx^3\ (x=\sqrt[3]t\text{라 두면})가 x≥0\displaystyle x\ge0 범위에서 최대가 되어야 한다는 것을 알 수 있다.

f(x)=x−rx3\displaystyle f(x)=x-rx^3라 두고 최댓값을 구하기 위해 미분하면

f′(x)=1−3rx2\displaystyle f^\prime(x)=1-3rx^2

이다. 0=f′(x)=1−3rx2\displaystyle 0=f^\prime(x)=1-3rx^2을 풀면 x=±13r\displaystyle x=\pm\frac1{\sqrt{3r}}이 나온다.

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 최고차 항이 음수인 3차 다항식이므로 x≥0\displaystyle x\ge0 범위에서 최댓값은 x=13r\displaystyle x=\frac1{\sqrt{3r}}, 즉, t=(13r)32\displaystyle t=\left(\frac1{3r}\right)^{\frac32}에서 발생한다.

따라서 팔 시점도 t=(13r)32\displaystyle t=\left(\frac1{3r}\right)^{\frac32}이다.

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