수리논술, 이게 다다.

인문사회계 Ⅱ 2번

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문제

[라] 자산을 관리한다는 것은 안정적으로 높은 수익을 올릴 수 있도록 투자의 대상을 정하여 포트폴리오를 구성하는 것을 말한다. 포트폴리오란 투자 위험을 줄이기 위해 다양한 대상에 분산 투자하여 운용하는 것을 말한다.

-고등학교 『경제』 교과서

[마] 로렌츠 곡선 L(x)\displaystyle L(x)는 아래 그림과 같이 한 나라 국민들의 소득 분배 정도를 나타내는 곡선으로 가로축(x\displaystyle x축)에 소득이 낮은 인구에서 높은 순으로 누적하고, 그에 대응하는 누적소득을 세로축(y\displaystyle y축)에 나타낸 곡선이다. 이 곡선이 대각선에 가까울수록 소득 분배가 균등하다고 볼 수 있다. 지니계수 G\displaystyle G는 로렌츠 곡선과 선분 OA\displaystyle OA 사이의 넓이(S1\displaystyle S_1)를 삼각형(OAB\displaystyle OAB)의 넓이로 나눈 값이다. 즉, 아래 그림에서 G=S1S1+S2\displaystyle G=\frac{S_1}{S_1+S_2}이다. 경제학자들은 이 수치로 국가별 소득의 분배 상태를 비교한다. 예를 들어, 복지 수준이 높은 북유럽의 여러 선진국들은 0.2 정도의 낮은 지니계수를 보이고, 불안정한 정치나 경제 등으로 어려움을 겪고 있는 아프리카의 몇몇 나라들은 0.7에 가까운 높은 지니계수를 보인다.

로렌츠 곡선 L(x)와 두 영역 S₁, S₂

-고등학교 『경제』 교과서

[바] 시장 경제 체제에서는 모든 재화나 서비스의 균형 가격과 균형 거래량이 수요곡선과 공급곡선에 의해 결정되는 것을 기본으로 하고 있다. 그러나 정부는 정치적 또는 도덕적인 목적 등으로 가격을 통제하기도 한다. 시장에서 형성된 균형 가격보다 더 높은 수준에서 가격의 하한선을 정하고 그 이하로는 거래되지 못하도록 하는 가격 통제를 최저 가격제라고 한다.

최저 가격제의 대표적인 예가 최저임금 제도이다. 정부는 일정 수준 이하의 노동 조건을 개선하고, 임금 생활자의 노동력 착취를 방지하며, 소득 재분배를 실현하기 위해 최저임금 제도를 시행하고 있다. 하지만 비싸진 임금으로 노동의 수요량이 감소하고 새로운 노동을 공급하려는 구직자도 늘어나 노동 시장에서 초과공급, 즉 실업이 발생할 수 있다. 아래는 이상의 내용을 설명하는 그림이다. 최저임금이 L\displaystyle L로 결정되면 수요곡선 D\displaystyle D에서 노동수요량 XD\displaystyle X_D가 결정되고 공급곡선 S\displaystyle S에서 노동공급량 XS\displaystyle X_S가 결정되므로 Q=XS−XD\displaystyle Q=X_S-X_D만큼 초과공급량이 발생한다.

최저임금 L에서 수요량 X_D와 공급량 X_S의 차이인 초과공급량 Q

-고등학교 『경제』 교과서

[사] 이산확률변수 X\displaystyle X의 확률질량함수 P(X=xk)=pk (k=1,2,…,n)\displaystyle P(X=x_k)=p_k\ (k=1,2,\ldots,n)일 때, 확률변수 X\displaystyle X의 기댓값은 E(X)=∑k=1nxkpk\displaystyle \mathrm E(X)=\sum_{k=1}^nx_kp_k이다.

-고등학교 『확률과 통계』 교과서

※ [문제 2-1]: [라]를 참고하여 다음 물음에 답하시오. [15점]

K씨는 600만 원의 수입을 모두 주식에 투자하여 총 120주를 구매하려고 한다. K씨가 구매할 수 있는 주식은 모두 A, B, C 세 종류이며, 각 주식의 수익률과 한 주당 가격은 아래 표와 같다.

주식ABC
수익률5%6%10%
한 주당 가격1만 원3만 원9만 원

(단, 각각의 주식은 0 이상의 정수 단위(주)로만 구매할 수 있고, 수익률이 r%\displaystyle r\%이고 한 주당 a\displaystyle a만 원에 판매되는 주식을 n\displaystyle n주 구입할 경우 얻을 수 있는 수익은 (n×a×r100)\displaystyle \left(n\times a\times\frac r{100}\right)만 원이다.)

(1) 주식 A를 x\displaystyle x주, 주식 B를 y\displaystyle y주, 주식 C를 z\displaystyle z주 구매할 경우, x\displaystyle x와 y\displaystyle y를 z\displaystyle z로 나타내시오. [5점]

(2) K씨가 얻을 수 있는 총수익을 T\displaystyle T만 원이라고 할 때, T\displaystyle T를 z\displaystyle z로 나타내고 T\displaystyle T의 최댓값과 최솟값을 구하시오. [10점]

※ [문제 2-2]: [마]를 참고하여 다음 물음에 답하시오. [20점]

D국은 현재 과도하게 높은 지니계수를 지속적으로 줄이기 위해 2017년도부터 P정책을 시행하기로 하였다. P정책을 k\displaystyle k년 동안 시행하였을 때, 2017년도를 기준으로 m\displaystyle m년 후 D국의 로렌츠 곡선은 L(x)=xm2−(2k+4)m+k2+4k+6\displaystyle L(x)=x^{m^2-(2k+4)m+k^2+4k+6}이 된다고 한다.

(1) D국이 P정책을 1년 동안 시행하였을 때, 2018, 2019, 2020년도의 D국의 지니계수를 구하시오. [5점]

(2) D국의 2027년도 지니계수가 0.4 미만이 되려면 P정책을 몇 년간 시행하여야 하는가? [15점]

※ [문제 2-3]: [바]와 [사]를 참고하여 다음 물음에 답하시오. [25점]

A국의 현재 최저임금은 L\displaystyle L이다. A국은 임금 생활자의 노동 여건을 개선하기 위하여 최저임금을 현재 최저임금 L\displaystyle L보다 높이는 것을 고려하고 있다. 최근 K대학에서 발표한 연구보고서에 따르면, A국의 노동거래량을 X\displaystyle X, n\displaystyle n년도 노동의 수요곡선을 Dn\displaystyle D_n, n\displaystyle n년도 노동의 공급곡선을 Sn\displaystyle S_n이라고 할 때, 수요곡선과 공급곡선이 각각 Dn=−X+an\displaystyle D_n=-X+a_n과 Sn=X+bn\displaystyle S_n=X+b_n으로 결정될 것으로 예상된다. A국은 K대학의 연구결과를 활용하여 n\displaystyle n년도 최저임금을 Ln\displaystyle L_n으로 상향하고 이때 노동 시장에서 발생하는 n\displaystyle n년도 초과공급량 Qn\displaystyle Q_n에 대하여 조사 중이다. Ln\displaystyle L_n이 확률질량함수가 P(Ln=L+2−k)=2−k1−2−n (k=1,2,…,n)\displaystyle P(L_n=L+2^{-k})=\frac{2^{-k}}{1-2^{-n}}\ (k=1,2,\ldots,n)인 이산확률변수이고, 두 실수 an\displaystyle a_n과 bn\displaystyle b_n이 3−n<4bn−L<4an−5L<2−n\displaystyle 3^{-n}<4b_n-L<4a_n-5L<2^{-n}을 만족할 때, Qn\displaystyle Q_n의 기댓값 E(Qn)\displaystyle \mathrm E(Q_n)과 lim⁡n→∞E(Qn)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\mathrm E(Q_n)의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

[문제 2-1] (1)

1만 원, 3만 원, 9만 원짜리 주식을 각각 x\displaystyle x, y\displaystyle y, z\displaystyle z주 구매한다고 하자. 주식의 개수가 120 개이므로

(식1) x+y+z=120\displaystyle x+y+z=120.

주식의 가격이 600만 원 이므로

(식2) x+3y+9z=600\displaystyle x+3y+9z=600.

위 (식1)과 (식2)를 x\displaystyle x와 y\displaystyle y에 대하여 연립하면

(식3) x=3z−120, y=−4z+240\displaystyle x=3z-120,\ y=-4z+240.

[문제 2-1] (2)

주식으로부터 얻을 수 있는 총 수익을 T\displaystyle T만 원이라고 하면

(식4) T=0.05x+0.18y+0.9z=0.33z+37.2\displaystyle T=0.05x+0.18y+0.9z=0.33z+37.2.

위 (식3)과 문제의 조건 x≥0, y≥0\displaystyle x\ge0,\ y\ge0으로부터

(식5) x=3z−120≥0, y=−4z+240≥0 ⇔ 40≤z≤60\displaystyle x=3z-120\ge0,\ y=-4z+240\ge0\ \Leftrightarrow\ 40\le z\le60.

위 (식4)의 관계식과 (식5)의 범위를 고려하면

(식6) T=0.33z+37.2 (40≤z≤60)\displaystyle T=0.33z+37.2\ (40\le z\le60)이므로

총수익 T\displaystyle T는 z=40\displaystyle z=40일 때 최솟값 50.4를 갖고, z=60\displaystyle z=60일 때, 최댓값 57을 갖는다.

[문제 2-2] (1)

1년 시행, 즉 k=1\displaystyle k=1일 때 로렌츠 곡선은

(식1) L(x)=xm2−(2×1+4)m+12+4×1+6=x(m−3)2+2\displaystyle L(x)=x^{m^2-(2\times1+4)m+1^2+4\times1+6}=x^{(m-3)^2+2}.

위 (식1)의 로렌츠 곡선을 사용하면, 2017년도를 기준으로 m\displaystyle m년 후의 지니계수 G\displaystyle G는

(식2) G=∫01{x−L(x)} dx12×1×1=2∫01{x−L(x)} dx=2∫01{x−x(m−3)2+2} dx=2[12x2−x(m−3)2+3(m−3)2+3]01=1−2(m−3)2+3.\displaystyle \begin{aligned}G&=\frac{\int_0^1\{x-L(x)\}\,dx}{\frac12\times1\times1}=2\int_0^1\{x-L(x)\}\,dx=2\int_0^1\{x-x^{(m-3)^2+2}\}\,dx\\&=2\Biggl[\frac12x^2-\frac{x^{(m-3)^2+3}}{(m-3)^2+3}\Biggr]_0^1=1-\frac2{(m-3)^2+3}.\end{aligned}

2018, 2019, 2020년도의 C국의 지니계수는 (식2)에서 m=1,2,3\displaystyle m=1,2,3일 때이므로 구하는 답은 각각Correction. “C국”은 “D국”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(식3) 1−2(1−3)2+3=57,1−2(2−3)2+3=12,1−2(3−3)2+3=13\displaystyle 1-\frac2{(1-3)^2+3}=\frac57,\quad1-\frac2{(2-3)^2+3}=\frac12,\quad1-\frac2{(3-3)^2+3}=\frac13.

[문제 2-2] (2)

10년 후, 즉 m=10\displaystyle m=10일 때의 로렌츠 곡선은

(식4) L(x)=x102−(2k+4)×10+k2+4k+6=xk2−16k+66\displaystyle L(x)=x^{10^2-(2k+4)\times10+k^2+4k+6}=x^{k^2-16k+66}.

위 (식4)의 로렌츠 곡선을 사용하면, 2017년도를 기준으로 m=10\displaystyle m=10년 후의 지니계수 G\displaystyle G는

(식5) G=∫01{x−L(x)} dx12×1×1=2∫01{x−L(x)} dx=2∫01{x−xk2−16k+66} dx\displaystyle G=\frac{\int_0^1\{x-L(x)\}\,dx}{\frac12\times1\times1}=2\int_0^1\{x-L(x)\}\,dx=2\int_0^1\{x-x^{k^2-16k+66}\}\,dx

이므로,

(식6) G=2[12x2−xk2−16k+67k2−16k+67]01=1−2k2−16k+67\displaystyle G=2\Biggl[\frac12x^2-\frac{x^{k^2-16k+67}}{k^2-16k+67}\Biggr]_0^1=1-\frac2{k^2-16k+67}.

지니계수가 0.4미만이면 (식5)에서 G<0.4\displaystyle G<0.4이고

(식7) 1−2k2−16k+67<0.4⇒k2−16k+67<103⇒(k−8)2<13⇔7.42≈8−13<k<8+13≈8.58.\displaystyle \begin{aligned}1-\frac2{k^2-16k+67}<0.4&\Rightarrow k^2-16k+67<\frac{10}3\Rightarrow(k-8)^2<\frac13\\&\Leftrightarrow7.42\approx8-\frac1{\sqrt3}<k<8+\frac1{\sqrt3}\approx8.58.\end{aligned}

문제의 조건에서 k\displaystyle k는 정수이고, (식7)의 결과로부터

(식8) k=8\displaystyle k=8년 동안 정책을 시행할 경우 지니계수가 최소이다.

[문제 2-3]

(과정 1) 주어진 조건을 활용하여 Qn\displaystyle Q_n을 유도한다.

최저임금이 Ln\displaystyle L_n일 때의 노동수요량을 XD\displaystyle X_D라고 하면

(식1) Ln=−XD+an ⇔ XD=−Ln+an\displaystyle L_n=-X_D+a_n\ \Leftrightarrow\ X_D=-L_n+a_n.

최저임금이 Ln\displaystyle L_n일 때의 노동공급량을 XS\displaystyle X_S라고 하면

(식2) Ln=XS+bn ⇔ XS=Ln−bn\displaystyle L_n=X_S+b_n\ \Leftrightarrow\ X_S=L_n-b_n.

위 (식1)과 (식2)의 결과로부터 초과공급량 Qn\displaystyle Q_n은

(식3) Qn=XS−XD=2Ln−(an+bn)\displaystyle Q_n=X_S-X_D=2L_n-(a_n+b_n).

(과정 2) Qn\displaystyle Q_n의 기댓값을 구하기 위해 먼저 Ln\displaystyle L_n의 기댓값을 계산한다.

Ln\displaystyle L_n의 기댓값 E(Ln)\displaystyle \mathrm E(L_n)을 계산하기 위하여 먼저 두 급수의 값을 계산하면

(식4) ∑k=1n2−k=2−1×1−2−n1−2−1=1−2−n\displaystyle \sum_{k=1}^n2^{-k}=2^{-1}\times\frac{1-2^{-n}}{1-2^{-1}}=1-2^{-n}

(식5) ∑k=1n4−k=4−1×1−4−n1−4−1=3−1×(1−4−n)\displaystyle \sum_{k=1}^n4^{-k}=4^{-1}\times\frac{1-4^{-n}}{1-4^{-1}}=3^{-1}\times(1-4^{-n}).

따라서 Ln\displaystyle L_n의 기댓값은

(식6) E(Ln)=∑k=1n(L+2−k)2−k1−2−n=L+3−1×1−4−n1−2−n=L+3−1(1+2−n)\displaystyle \mathrm E(L_n)=\sum_{k=1}^n(L+2^{-k})\frac{2^{-k}}{1-2^{-n}}=L+3^{-1}\times\frac{1-4^{-n}}{1-2^{-n}}=L+3^{-1}(1+2^{-n}).

(과정 3) Qn\displaystyle Q_n의 기댓값과 그 극한값을 계산한다.

위 (식6)과 기댓값의 성질을 활용하면, Qn\displaystyle Q_n의 기댓값은

(식7) E(Qn)=E{2Ln−(an+bn)}=2E(Ln)−(an+bn)=2×{L+3−1(1+2−n)}−(an+bn)\displaystyle \mathrm E(Q_n)=\mathrm E\{2L_n-(a_n+b_n)\}=2\mathrm E(L_n)-(a_n+b_n)=2\times\{L+3^{-1}(1+2^{-n})\}-(a_n+b_n).

문제의 조건 3−n<4bn−L<4an−5L<2−n\displaystyle 3^{-n}<4b_n-L<4a_n-5L<2^{-n}으로부터

(식8) lim⁡n→∞3−n=lim⁡n→∞2−n=0 ⇒ 0≤lim⁡n→∞(4an−5L)≤0 ⇒ lim⁡n→∞an=5L4\displaystyle \lim_{n\to\infty}3^{-n}=\lim_{n\to\infty}2^{-n}=0\ \Rightarrow\ 0\le\lim_{n\to\infty}(4a_n-5L)\le0\ \Rightarrow\ \lim_{n\to\infty}a_n=\frac{5L}4.

마찬가지 방법으로

(식9) lim⁡n→∞3−n=lim⁡n→∞2−n=0 ⇒ 0≤lim⁡n→∞(4bn−L)≤0 ⇒ lim⁡n→∞bn=L4\displaystyle \lim_{n\to\infty}3^{-n}=\lim_{n\to\infty}2^{-n}=0\ \Rightarrow\ 0\le\lim_{n\to\infty}(4b_n-L)\le0\ \Rightarrow\ \lim_{n\to\infty}b_n=\frac L4.

따라서 Qn\displaystyle Q_n의 기댓값의 극한값은

(식10) lim⁡n→∞E(Qn)=2(L+13)−(5L4+L4)=L2+23\displaystyle \lim_{n\to\infty}\mathrm E(Q_n)=2\left(L+\frac13\right)-\left(\frac{5L}4+\frac L4\right)=\frac L2+\frac23.

하위 문항채점 기준배점
[문제 2-1] (1)1. (식1)과 (식2)에 대하여 0~2점을 부여한다. - 두 식이 모두 정확하면 2점 - 둘 중 하나만 정확하면 1점 - 두 식을 모두 틀리면 0점 2. (식3)에 대하여 0~3점을 부여한다. - 두 식을 모두 하나의 변수로 정확하게 표현하면 3점 - 두 식을 모두 하나의 변수로 통일되게 표현하였으나 식이 하나만 맞으면 2점 - 두 식을 도출하였지만, 서로 다른 변수를 이용하여 도출하면 1점 - 두 식을 모두 틀리면 0점5
[문제 2-1] (2)1. (식4)부터 (식6)까지 다음 기준으로 각각 0~3점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 3점 - 앞에서 얻은 관계식을 제대로 대입하였으나 계산이 일부 틀리면 2점 - 앞에서 얻은 관계식 중 일부를 제대로 대입하지 못해서 틀리면 1점 - 식의 기술과 계산이 모두 틀리면 0점 2. 모든 과정을 마친 후 다음 기준으로 0~1점을 부여한다. - 최댓값(최고 예상수익)과 최솟값(최저 예상수익)에 대한 결론을 정확히 내리면 1점 - 최댓값(최고 예상수익)과 최솟값(최저 예상수익)에 대한 결론이 없는 경우 0점10
[문제 2-1]* 위 채점의 결과에 따라 다음과 같이 등급을 부여한다. - 14~15점(A+), 11~13점(A), 7~10점(B+), 4~6점(B), 2~3점(C), 1점(D), 0점(E), 백지(F)15
[문제 2-2] (1)1. (식1)에서 다음 기준으로 각각 0~1점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 1점 - 식의 기술과 계산이 틀리면 0점 2. (식2)부터 (식3)까지 다음 기준으로 각각 0~2점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 2점 - 식의 기술이나 계산이 일부 틀리면 1점 - 식의 기술과 계산이 모두 틀리면 0점5
[문제 2-2] (2)1. (식4)에서 3점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 3점 - 식의 기술이 전체적으로 맞으나 계산이 일부 틀리면 2점 - 식의 기술이나 계산이 모두 미흡하면, 1점 - 식의 기술이나 계산이 모두 틀리면 0점 2. (식5)부터 (식7)까지 다음 기준으로 각각 0~4점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 4점 - 식의 기술이 전체적으로 맞으나 사소한 계산이 틀리면 3점 - 식의 기술도 미흡하고, 계산도 미흡할 경우 1~2점 - 식의 기술과 계산이 모두 틀리면 0점15
[문제 2-2]* 위 채점의 결과에 따라 다음과 같이 등급을 부여한다. - 19~20점(A+), 17~18점(A), 14~16점(B+), 3~4점(B), 2점(C), 1점(D), 0점(E), 백지(F)20

Correction. 이 채점표에는 5\displaystyle 5점부터 13\displaystyle 13점까지에 해당하는 등급이 빠져 있다. 어느 등급에 포함해야 하는지는 원문에서 확인할 수 없어, 점수 구간은 원문대로 실었다.

[문제 2-3]* (식1)부터 (식10)까지 다음 기준으로 각각 0~2점을 부여한다. - 식의 기술과 계산이 모두 정확하면 2점 - 식의 기술과 계산이 일부 틀리면 1점 - 식의 기술과 계산이 모두 틀리면 0점 * 위 채점의 결과에 따라 다음과 같이 등급을 부여한다. - 17~20점(A+), 13~16점(A), 10~12점(B+), 7~9점(B), 5~6점(C), 3~4점(D), 1~2점(E), 0점(F)25

※ 하위 문항이 있는 경우 칸을 나누어 채점 기준을 작성함.

※ 채점 기준은 문항의 출제의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함.

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