수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

【문제 4】(배점 25%)아래의 제시문을 읽고 다음 물음에 답하시오.

사건 B\displaystyle B가 발생했을 때, 사건 A\displaystyle A가 발생할 조건부확률은P(A∣B)=P(A∩B)P(B)\displaystyle P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)} (단, P(B)>0\displaystyle P(B)>0)으로 정의된다. 조건부확률은 특정 사건이 발생했다는 새로운 정보가 주어졌을 때, 어떤 사건에 대한 기존의 확률값이 새롭게 계산되어야한다는 의미에서 실생활 문제와 밀접한 연관성이 있다.

(4-1) 용두리자동차 주식회사는 국내에서 판매실적이 우수한 A\displaystyle A와 B\displaystyle B 두 종류의 자동차를 미국에 수출하고자 한다. 미국 현지의 신뢰성 높은 컨설팅업체에 사전 시장조사를 의뢰한 결과 미국 소비자가 각각의 모델을 선택할 확률은 P(A)=0.4\displaystyle P(A)=0.4, P(B)=0.6\displaystyle P(B)=0.6으로 나타났다. 지금까지 국내 시장에서 두 가지 모델이 판매된 후의 고장률은 A\displaystyle A가 0.5%\displaystyle 0.5\%, B\displaystyle B가 0.3%\displaystyle 0.3\%이다. 회사는 미국 현지의 자동차정비센터 운영 규모를 예측하기 위하여 두 종류의 자동차 전체에 대한 고장률을 알고자한다. 향후 미국 시장에서 팔릴 A\displaystyle A와 B\displaystyle B 두 종류의 자동차 중 임의의 자동차 한 대가 고장 날 사건 F\displaystyle F의 확률을 구하시오. (단, 국내에서의 자동차 A\displaystyle A와 B\displaystyle B의 고장률은 미국에서도 그대로 유지된다고 가정한다.)

(4-2) 설악산 등산 중에 실종된 사람을 찾기 위해 구조대가 편성되었다. 구조대는 설악산을 실종자가 있을 가능성이 동일한 3개 지역 A\displaystyle A, B\displaystyle B, C\displaystyle C로 분할하여 수색작업을 진행하기로 하였다. 세 지역의 지형상 특성으로 인해 실제로 실종자가 그 지역에 있는데도 불구하고 하루 동안에 찾아내지 못할 확률은 각각 βA,βB,βC\displaystyle \beta_A,\beta_B,\beta_C (0<βA,βB,βC<1\displaystyle 0<\beta_A,\beta_B,\beta_C<1)이다. 구조대는 구조작업이 이루어진 첫 날 A\displaystyle A 지역을 수색했으나 실종자를 찾지 못했다. 이 시점에서 다음 수색 지역을 결정하기 위해 실종자가 어느 지역에 있는지에 대한 조건부확률을 계산하고자 한다. 하루 동안 A\displaystyle A지역을 수색한 결과 실종자를 찾지 못하는 사건 EA\displaystyle E_A가 발생했다는 조건 하에 실종자가 각각 A\displaystyle A, B\displaystyle B, C\displaystyle C 지역에 있을 조건부확률 P(A∣EA),P(B∣EA),P(C∣EA)\displaystyle P(A\mid E_A),P(B\mid E_A),P(C\mid E_A)를 구하고, 이 시점에서 A\displaystyle A 지역을 다시 수색하는 것보다 B\displaystyle B 또는 C\displaystyle C 지역을 수색하는 것이 더 합리적임을 설명하시오.

해설강의 준비중

(문제 4-1) (배점 50%)표본공간을 S\displaystyle S라 하고, A,B\displaystyle A,B자동차가 선택될 사건을 각각 A,B\displaystyle A,B로 놓으면,S=A∪B,A∩B=∅\displaystyle S=A\cup B,A\cap B=\varnothing, 1=P(S)=P(A∪B)=P(A)+P(B)=0.4+0.6\displaystyle 1=P(S)=P(A\cup B)=P(A)+P(B)=0.4+0.6, F⊂S\displaystyle F\subset S이므로P(F)=P(F∩S)=P(F∩(A∪B))=P((F∩A)∪(F∩B))=P(F∩A)+P(F∩B)=P(A)P(F∣A)+P(B)P(F∣B)=(0.4)(0.005)+(0.6)(0.003)=0.0038(0.38%).\displaystyle \begin{aligned}P(F)&=P(F\cap S)\\&=P(F\cap(A\cup B))\\&=P((F\cap A)\cup(F\cap B))\\&=P(F\cap A)+P(F\cap B)\\&=P(A)P(F\mid A)+P(B)P(F\mid B)\\&=(0.4)(0.005)+(0.6)(0.003)\\&=0.0038(0.38\%).\end{aligned}

(문제 4-2) (배점 50%)수색 작업이 진행되기 전에는 3개 지역에 실종자가 있을 가능성이 동일하다고 했으므로 P(A)=P(B)=P(C)=13\displaystyle P(A)=P(B)=P(C)=\frac{1}{3}이다.P(A∣EA)=P(A∩EA)P(EA),P(B∣EA)=P(B∩EA)P(EA),P(C∣EA)=P(C∩EA)P(EA)\displaystyle P(A\mid E_A)=\frac{P(A\cap E_A)}{P(E_A)},P(B\mid E_A)=\frac{P(B\cap E_A)}{P(E_A)},P(C\mid E_A)=\frac{P(C\cap E_A)}{P(E_A)}이므로 먼저 분모인 P(EA)\displaystyle P(E_A)를 계산하면,P(EA)=P(EA∩A)+P(EA∩B)+P(EB∩C)=P(A)P(EA∣A)+P(B)P(EA∣B)+P(C)P(EA∣C)=13⋅βA+13⋅1+13⋅1=13(βA+2)\displaystyle \begin{aligned}P(E_A)&=P(E_A\cap A)+P(E_A\cap B)+P(E_B\cap C)\\&=P(A)P(E_A\mid A)+P(B)P(E_A\mid B)+P(C)P(E_A\mid C)\\&=\frac{1}{3}\cdot\beta_A+\frac{1}{3}\cdot1+\frac{1}{3}\cdot1\\&=\frac{1}{3}(\beta_A+2)\end{aligned}Correction. 첫 등식의 마지막 항 P(EB∩C)\displaystyle P(E_B\cap C)는 P(EA∩C)\displaystyle P(E_A\cap C)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이다. 그러므로 구하고자 하는 조건부확률 값은 다음과 같다.P(A∣EA)=P(A∩EA)P(EA)=P(A)P(EA∣A)P(EA)=1/3⋅βA1/3⋅(βA+2)=βA(βA+2)\displaystyle P(A\mid E_A)=\frac{P(A\cap E_A)}{P(E_A)}=\frac{P(A)P(E_A\mid A)}{P(E_A)}=\frac{1/3\cdot\beta_A}{1/3\cdot(\beta_A+2)}=\frac{\beta_A}{(\beta_A+2)}P(B∣EA)=P(C∣EA)=1/3⋅11/3⋅(βA+2)=1(βA+2)\displaystyle P(B\mid E_A)=P(C\mid E_A)=\frac{1/3\cdot1}{1/3\cdot(\beta_A+2)}=\frac{1}{(\beta_A+2)}한편, 문제에서 주어진 조건으로부터 0<βA<1\displaystyle 0<\beta_A<1이므로P(A∣EA)<P(B∣EA)=P(C∣EA)\displaystyle P(A\mid E_A)<P(B\mid E_A)=P(C\mid E_A)이 성립한다. 그러므로 사건 EA\displaystyle E_A가 발생한 시점에서는 A\displaystyle A지역을 재수색하는 것보다 조건부확률 값이 더 큰 B\displaystyle B나 C\displaystyle C지역을 수색 대상으로 하는 것이 더 합리적이다.Comment. 발문의 ‘더 합리적’이라는 판단 기준은 명확하지 않다. 실종자가 있을 확률이 높은 지역을 택한다는 기준이면 예시답안처럼 B나 C가 맞다. 그러나 다음 수색에서 발견할 확률을 높이려는 기준이면 지역별 발견 확률도 고려해야 하므로, 주어진 조건만으로 B나 C가 항상 유리하다고 단정할 수는 없다.

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