수리논술, 이게 다다.

인문사회계 Ⅱ 2번

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문제

[라]

주어진 조건을 만족시키는 x\displaystyle x와 y\displaystyle y에 대하여 식 f(x,y)\displaystyle f(x,y)의 최댓값과 최솟값은 다음과 같은 순서로 구한다. 1) 주어진 조건을 연립부등식의 영역으로 나타낸다. 2) f(x,y)=k\displaystyle f(x,y)=k로 놓고 이 그래프를 1)의 영역에서 움직여 본다. 3) 위 2)의 그래프가 1)의 영역을 움직일 때의 k\displaystyle k의 값 중에서 최대인 값 또는 최소인 값을 구한다.

- 고등학교 ‘수학Ⅰ’ 교과서

[마]

국민 경제의 총체적 생산 수준이 지속적으로 높아지는 것을 경제 성장이라고 한다. 대부분 국가에서는 지속적인 경제 성장을 위해 다양한 정책을 펴고 있다. 그렇다면 경제 성장은 어떻게 측정할까? 여기에는 한 나라의 소득 수준과 경제 규모를 나타내는 국내 총생산이 이용된다. 구체적으로, 경제 성장률은 다음과 같이 기준 연도의 가격으로 당해 연도 생산물의 가치를 나타내는 실질 국내 총생산의 증가율로 측정한다.

금년도 경제성장률 =금년도 실질 GDP−전년도 실질 GDP전년도 실질 GDP\displaystyle =\frac{\text{금년도 실질 GDP}-\text{전년도 실질 GDP}}{\text{전년도 실질 GDP}}

- 고등학교 ‘경제’ 교과서

[바]

연속확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수가 f(x)\displaystyle f(x), α≤x≤β\displaystyle \alpha\le x\le\beta일 때, X\displaystyle X의 기댓값은 E(X)=∫αβxf(x)dx\displaystyle E(X)=\int_\alpha^\beta xf(x)dx로 주어지고, 임의의 상수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b에 대하여 E(aX+b)=aE(X)+b\displaystyle E(aX+b)=aE(X)+b를 만족한다.

- 고등학교 ‘확률과 통계’ 교과서

[사]

기업은 이윤 획득을 위해 다른 기업들과 경쟁을 한다. 이 과정에서 기업은 더 좋은 제품을 생산할 수 있고, 새로운 제품을 개발할 수 있다. 기업이 질 좋은 제품을 생산하고, 신제품을 개발하여 공급함으로써 소비자는 생활에서 더 큰 만족을 얻을 수 있다. 이처럼 소비자의 생활이 좀 더 편리하고 행복해 질 수 있도록 질 좋은 제품을 값싸게 공급하고 신제품을 개발하는 것은 기업의 중요한 역할이다.

- 고등학교 ‘경제’ 교과서

[문제 2-1] 남성구두와 하이힐을 한 종류씩 생산하는 신발 공장이 있다. 남성구두 한 켤레를 만들기 위하여 소가죽 300g 전력 2kWh가 필요하고, 완성된 구두 한 켤레의 도매가는 5만 원이다. 하이힐 한 켤레를 만들기 위하여 소가죽 200g 전력 3kWh가 필요하고, 완성된 하이힐 한 켤레의 도매가는 4만 원이다. [라]의 제시문을 참고하여, 이 공장이 하루 매출액을 최대로 하려면 남성구두와 하이힐을 각각 몇 켤레를 생산해야 하는지 설명하라. 단, 이 공장은 하루에 소가죽 50kg 전력 600kWh를 사용한다고 한다. [15점]

[문제 2-2] A\displaystyle A국의 n\displaystyle n년도 실질 GDP는 Gn=(n+1)Xn\displaystyle G_n=(n+1)X^n, n≥1\displaystyle n\ge1이다. 단, X\displaystyle X는 확률변수이고 X\displaystyle X의 확률밀도함수는 f(x)=2m−2x\displaystyle f(x)=2m^{-2}x, 0≤x≤m\displaystyle 0\le x\le m이다. [마]와 [바]의 제시문을 참고하여, A\displaystyle A국의 n≥1\displaystyle n\ge1년도 경제성장률의 기댓값을 구하고 이 기댓값의 부호가 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는지 설명하라. [20점]

[문제 2-3] 기업 A\displaystyle A는 n\displaystyle n개의 제품 P1,P2,…,Pn\displaystyle P_1,P_2,\ldots,P_n을 생산하여 판매하는 중소기업이다. A\displaystyle A의 내년도 총 운영비용은 λ>0\displaystyle \lambda>0이고, 각각의 제품에 대하여 내년도 영업이익이 X1,X2,…,Xn\displaystyle X_1,X_2,\ldots,X_n일 것으로 예상하고 있다. A\displaystyle A는 새로운 기술을 개발하기 위한 내년도 투자비용을 아래의 투자비용 결정함수를 최소로 하는 값에서 결정하고 있다.

L(t)=∑i=1n(t−nXi)2+2nλt, t≥0.\displaystyle L(t)=\sum_{i=1}^n(t-nX_i)^2+2n\lambda t,\ t\ge0.

제시문 [사]를 참고하여, 내년도 투자비용 T\displaystyle T를 내년도 총 영업이익 X=X1+⋯Xn\displaystyle X=X_1+\cdots X_n와 운영비용 λ\displaystyle \lambda로 나타내고, 기업 A\displaystyle A가 내년도 기술개발 투자비용을 결정하는 전략에 대하여 간단히 설명하라. [25점]

해설강의 준비중

[문제 2-1]

(과정 1) 하루에 남성구두를 x\displaystyle x켤레, 하이힐을 y\displaystyle y켤레 생산한다고 하자.

(과정 2) 소가죽과 전력량에 대하여 주어진 조건을 x\displaystyle x와 y\displaystyle y를 활용하여 표현하면 다음과 같다.

3x+2y≤500, 2x+3y≤600, x≥0, y≥0\displaystyle 3x+2y\le500,\ 2x+3y\le600,\ x\ge0,\ y\ge0

(과정 3) 위 조건을 평면에 도시하면 다음과 같다.

소가죽과 전력의 제약에 따른 생산량 영역과 매출액 직선

(과정 4) 하루 매출액을 k\displaystyle k라고 하면 5x+4y=k\displaystyle 5x+4y=k이다.

(과정 5) k\displaystyle k가 최대가 되는 경우는 직선 5x+4y=k\displaystyle 5x+4y=k가 위 조건을 만족하는 영역 위를 지나면서 y\displaystyle y절편이 최대가 되는 경우이다.

(과정 6) 따라서 두 직선 3x+2y=500\displaystyle 3x+2y=500과 2x+3y=600\displaystyle 2x+3y=600의 교점을 지날 때 k\displaystyle k가 최대이고 이 연립 방정식을 풀면 x=60,y=160\displaystyle x=60,y=160임을 확인할 수 있다.

[문제 2-2]

(과정 1) A\displaystyle A국의 n\displaystyle n년도 경제성장률을 Rn\displaystyle R_n이라고 하면, 제시문의 정의에 따라 다음과 같다.

Rn=GnGn−1−1=(n+1)XnnXn−1−1=n+1nX−1\displaystyle R_n=\frac{G_n}{G_{n-1}}-1=\frac{(n+1)X^n}{nX^{n-1}}-1=\frac{n+1}nX-1

(과정 2) 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값은 제시문의 정의에 따라 다음과 같다.

E(X)=∫0mx×f(x)dx=∫0m2m−2x2dx=2m3\displaystyle E(X)=\int_0^m x\times f(x)dx=\int_0^m2m^{-2}x^2dx=\frac{2m}3

(과정 3) 따라서 경제성장률의 기댓값은 다음과 같다.

E(Rn)=n+1nE(X)−1=n+1n×2m3−1=(2m−3)n+2m3n\displaystyle E(R_n)=\frac{n+1}nE(X)-1=\frac{n+1}n\times\frac{2m}3-1=\frac{(2m-3)n+2m}{3n}

(과정 4) 따라서 아래 두 부등식은 동치이고

E(Rn)>0 ⇔ (2m−3)n+2m>0\displaystyle E(R_n)>0\ \Leftrightarrow\ (2m-3)n+2m>0

위 부등식을 n\displaystyle n에 대하여 풀면 경제성장률의 부호를 알 수 있다.

(과정 5) 확률밀도함수 f\displaystyle f가 0≤x≤m\displaystyle 0\le x\le m에서 항상 0일 수는 없으므로 m>0\displaystyle m>0이고, m\displaystyle m의 범위에 따라 다음과 같이 푼다.

(과정 6) 먼저 m=32\displaystyle m=\frac32인 경우, 위 부등식은

0×n>−3\displaystyle 0\times n>-3

과 동치이고 이 부등식은 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 성립한다. 즉, E(Rn)\displaystyle E(R_n)은 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 항상 양수이다.

(과정 7) 다음으로 m>32\displaystyle m>\frac32인 경우, 위 부등식은

n>−2m2m−3\displaystyle n>-\frac{2m}{2m-3}

과 동치이고 2m2m−3>0\displaystyle \frac{2m}{2m-3}>0이므로 이 부등식은 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 성립한다. 즉, E(Rn)\displaystyle E(R_n)은 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 항상 양수이다.

(과정 8) 마지막으로 0<m<32\displaystyle 0<m<\frac32인 경우, 위 부등식은

n<−2m2m−3\displaystyle n<-\frac{2m}{2m-3}

과 동치이다. 2m2m−3<0\displaystyle \frac{2m}{2m-3}<0이므로 E(Rn)\displaystyle E(R_n)은 −2m2m−3\displaystyle -\frac{2m}{2m-3}보다 작은 년도에서는 양수이고 큰 년도에서는 음수이다.

[문제 2-3]

(과정 1) 문제를 참고하면 t≥0\displaystyle t\ge0인 영역에서 L(t)\displaystyle L(t)가 최솟값을 가지는 t\displaystyle t값이 기업 A\displaystyle A의 투자비용 T\displaystyle T이다.

(과정 2) 투자비용 결정함수를 t\displaystyle t에 대하여 정리하면 다음과 같다.

L(t)=∑i=1n(t−nXi)2+2nλt=nt2−2n(∑i=1nXi−λ)t+n2∑i=1nXi2=nt2−2n(X−λ)t+n2∑i=1nXi2\displaystyle L(t)=\sum_{i=1}^n(t-nX_i)^2+2n\lambda t=nt^2-2n\left(\sum_{i=1}^nX_i-\lambda\right)t+n^2\sum_{i=1}^nX_i^2=nt^2-2n(X-\lambda)t+n^2\sum_{i=1}^nX_i^2

(과정 3) 따라서 L(t)\displaystyle L(t)는 이차항의 계수가 양수이고 축이 t=X−λ\displaystyle t=X-\lambda인 이차함수이다.

(과정 4) 따라서 t≥0\displaystyle t\ge0인 영역을 고려하면 X<λ\displaystyle X<\lambda인 경우 t=0\displaystyle t=0에서 최솟값을 가지고

(과정 5) X≥λ\displaystyle X\ge\lambda인 경우 t=X−λ\displaystyle t=X-\lambda에서 최솟값을 가진다.

(과정 6) 따라서 내년도 투자비용은 다음과 같다.

T={0,X<λX−λ,X≥λ\displaystyle T=\begin{cases}0,&X<\lambda\\X-\lambda,&X\ge\lambda\end{cases}

이를 활용하여 기업 A\displaystyle A의 투자비용 전략을 간단히 해석하면 다음과 같다.

(과정 7) 영업이익(X\displaystyle X)가 운영비용(λ\displaystyle \lambda)보다 작으면 투자하지 않고(T=0\displaystyle T=0)

(과정 8) 영업이익(X\displaystyle X)가 운영비용(λ\displaystyle \lambda)보다 크면 그 차이(T=X−λ\displaystyle T=X-\lambda)만큼 투자한다.

[문제 2-1] 평가기준

예시답안에 제시된 6개의 과정을 기준으로 채점한다. 단 다음 기준을 적용한다.

1) 생략된 과정이 있더라도 채점자가 답안을 근거로 그 과정이 정확히 진행되었음을 확인 가능하면 정답으로 간주한다.

2) 특정 과정의 계산이 틀리면 그 과정은 틀린 과정으로 한다. 하지만 이 과정의 결과를 근거로 이후의 과정이 정확하게 계산되어 있으면 그 이후의 과정은 정답으로 간주한다.

[문제 2-2] 평가기준

예시답안에 제시된 8개의 과정을 기준으로 채점한다. 단 다음 기준을 적용한다.

1) 생략된 과정이 있더라도 채점자가 답안을 근거로 그 과정이 정확히 진행되었음을 확인 가능하면 정답으로 간주한다.

2) 특정 과정의 계산이 틀리면 그 과정은 틀린 과정으로 한다. 하지만 이 과정의 결과를 근거로 이후의 과정이 정확하게 계산되어 있으면 그 이후의 과정은 정답으로 간주한다.

[문제 2-3] 평가기준

예시답안에 제시된 8개의 과정을 기준으로 채점한다. 단 다음 기준을 적용한다.

1) 생략된 과정이 있더라도 채점자가 답안을 근거로 그 과정이 정확히 진행되었음을 확인 가능하면 정답으로 간주한다.

2) 특정 과정의 계산이 틀리면 그 과정은 틀린 과정으로 한다. 하지만 이 과정의 결과를 근거로 이후의 과정이 정확하게 계산되어 있으면 그 이후의 과정은 정답으로 간주한다.

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