나뭇잎 교과서

부등식의 영역과 경제

시간, 재료, 예산처럼 쓸 수 있는 자원이 제한되면 생산이나 소비의 조합은 연립부등식의 영역 안에서 골라야 합니다. 그 영역에서 이익을 가장 크게, 또는 비용을 가장 작게 하는 점을 찾는 방법이 선형계획법입니다. 이 절에서는 공방의 생산 계획과 영양 기준을 채우는 식단 문제를 풀어 봅니다.

먼저 알면 좋은 것 연립일차부등식
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부등식의 영역과 경제

본문

가구 공방은 하루에 목재 100단위와 작업 시간 80시간을 쓸 수 있다. 책상 하나에는 목재 2단위와 1시간, 의자 하나에는 목재 1단위와 2시간이 든다. 책상 하나는 40만 원, 의자 하나는 30만 원의 이익을 낸다. 목재와 시간이 모자라지 않는 범위에서 이익을 가장 크게 하려면 몇 개씩 만들어야 할까?

그림 1. 초록 영역은 목재와 시간 조건을 모두 만족하는 생산 계획이다. 이익이 같은 직선(빨강)을 바깥으로 밀어 영역에서 마지막으로 닿는 꼭짓점이 최적이다. 책상의 이익이 바뀌면 최적의 꼭짓점도 바뀐다.
먼저 알아야 할 것연립 일차 부등식, 부등식의 영역(공통수학2), 일차함수의 그래프.

2.6.1제약 조건과 실행 가능 영역

책상을 \(x\)개, 의자를 \(y\)개 만든다고 하자. 목재 조건은 \(2x + y \le 100\), 시간 조건은 \(x + 2y \le 80\)이고, 개수는 음수가 될 수 없으므로 \(x \ge 0\), \(y \ge 0\)이다. 이 부등식들을 모두 만족하는 점 \((x, y)\)의 영역이 가능한 생산 계획 전체이다. 영역은 네 꼭짓점 \((0, 0)\), \((50, 0)\), \((40, 20)\), \((0, 40)\)을 가진 볼록한 사각형이다.

정리 2.6.1 일차식의 최댓값과 최솟값

일차부등식들로 둘러싸인 볼록한 다각형 영역에서 일차식 \(ax + by\)의 최댓값과 최솟값은 다각형의 꼭짓점에서 나타난다.

이익 \(40x + 30y = k\)는 기울기가 \(-\dfrac{4}{3}\)인 직선이고, \(k\)가 커질수록 위로 평행이동한다. 이 직선이 영역과 만나는 동안 \(k\)를 최대한 키우면, 직선이 영역의 한 꼭짓점에 마지막으로 닿는다. 그래서 꼭짓점만 비교하면 된다. 이런 문제를 선형계획법이라 한다. 영역 안쪽의 점은 모든 방향으로 조금씩 움직일 수 있어 이익을 더 늘릴 여지가 있으므로 최적이 될 수 없다.1

2.6.2이익이 바뀌면 답도 바뀐다

그림 1에서 책상의 이익을 바꾸어 보자. 책상 이익이 15만 원보다 작으면 이익 직선이 완만해져 의자만 만드는 \((0, 40)\)이, 60만 원보다 크면 가팔라져 책상만 만드는 \((50, 0)\)이 최적이 된다. 그 사이에서는 두 조건이 모두 빠듯해지는 \((40, 20)\)이 최적이다. 이익 직선의 기울기가 영역의 변의 기울기를 넘어설 때마다 최적의 꼭짓점이 옮겨 간다.

꼭짓점 (책상, 의자)이익 40x + 30y (만 원) (50, 0)2000 (40, 20)2200 (최대) (0, 40)1200
그림 2. 영역의 꼭짓점에서 이익을 비교하면 최댓값을 찾을 수 있다.

2.6.3예제 풀이

예제 2.6.2

위 공방에서 책상 이익이 40만 원, 의자 이익이 30만 원일 때 이익을 최대로 하는 생산량과 그때의 이익을 구하여라. 이때 목재와 시간이 남는가?

꼭짓점 \((40, 20)\)은 \(2x + y = 100\)과 \(x + 2y = 80\)을 연립하여 얻는다. 첫 식에 2를 곱해 둘째 식을 빼면 \(3x = 120\), 곧 \(x = 40\), \(y = 20\)이다.

네 꼭짓점의 이익은 \(0\), \(2000\), \(2200\), \(1200\)만 원이므로 책상 40개, 의자 20개를 만들 때 최대 2200만 원이다. 이때 목재는 \(80 + 20 = 100\), 시간은 \(40 + 40 = 80\)으로 둘 다 남김없이 쓴다. 두 자원이 모두 빠듯하게 쓰이는 점이 최적이 된 것이다. 남는 자원이 있다면 그것으로 무언가를 더 만들어 이익을 늘릴 수 있었을 것이다.

아래 탐구 카드에서 가구 생산 계획과 가장 싼 아침 식단을 부등식의 영역으로 직접 찾아보자.

  1. 선형계획법은 제2차 세계 대전 무렵 군수 물자의 수송 계획을 세우며 발전했다. 오늘날에는 항공사의 운항 계획, 공장의 생산 계획, 영양 식단 설계 등에 쓰인다.
마무리

자원의 제약은 연립 일차 부등식이 되고, 이를 만족하는 영역이 가능한 계획 전체이다. 이 영역에서 이익 같은 일차식의 최댓값과 최솟값은 꼭짓점에서 나타나므로, 꼭짓점의 값만 비교하면 된다. 그래서 처음 질문의 공방은 목재와 시간을 모두 빠듯하게 쓰는 책상 40개, 의자 20개에서 이익이 가장 크다.

탐구 1

책상과 의자를 몇 개씩 만들어야 이익이 가장 클까?

부등식의 영역과 최대 · 조작

작은 공방의 일주일이다. 책상 1개에 작업 2시간과 나무 1장, 의자 1개에 작업 1시간과 나무 2장이 들고, 작업 시간은 100시간, 나무는 80장까지 쓸 수 있다.

수치는 수업용 모의 값이다. 의자 1개의 이익은 3만 원으로 고정했다.

  1. 질문책상이 의자보다 이익이 크니 책상만 만들면 될까? 시간과 나무가 모두 제한되어 있을 때 가장 좋은 생산 계획은 무엇일까?
  2. 복원부등식 \(ax + by \le c\)의 영역은 직선 \(ax + by = c\)를 경계로 하는 반평면이고, 연립부등식의 영역은 각 영역의 공통부분이다.
  3. 설명제약 조건 \(2x + y \le 100\), \(x + 2y \le 80\), \(x \ge 0\), \(y \ge 0\)을 모두 만족하는 점들이 생산 가능 영역이다. 이익 \(5x + 3y = k\)는 기울기가 일정한 평행선들이고 \(k\)가 클수록 원점에서 멀어지므로, 영역과 만나는 직선 가운데 가장 바깥의 것을 찾으면 최대 이익이 나오며, 그 점은 늘 영역의 꼭짓점이다. 이렇게 일차부등식 조건에서 일차식의 최댓값이나 최솟값을 찾는 방법을 선형계획법이라 한다.
  4. 연결항공사의 비행 일정, 공장의 원료 배합, 물류 배송 계획에 선형계획법을 쓴다. 변수가 많아지면 컴퓨터가 꼭짓점을 차례로 따라가며 찾는다(심플렉스법).
  5. 적용점을 움직여 이익이 가장 큰 계획을 찾은 뒤 꼭짓점의 이익과 비교해 보자. 그리고 책상 1개의 이익을 바꾸면 최적의 꼭짓점이 언제 바뀌는지 확인해 보자.
  6. 판단이익이 큰 제품만 만드는 것이 최선이 아닐 수 있다. 이익 직선의 기울기가 경계선의 기울기 사이에 있으면 두 제약이 만나는 꼭짓점이 최적이 되기 때문이다.

확인조건이 달라지면

같은 제약에서 책상 1개 이익이 1만 원, 의자 1개 이익이 3만 원이면 최적 계획은?

탐구 2

영양 기준을 채우는 가장 싼 아침 식단은?

부등식의 영역과 최소 · 활용
단백질열량값
우유 1잔8 g120 kcal800원
시리얼 1그릇4 g200 kcal600원
기준32 g 이상1000 kcal 이상

영양 정보와 값은 수업용 가상 값이다. 한 주 동안의 아침을 합친 양이라고 생각하자.

  1. 질문단백질과 열량 기준을 모두 채우면서 비용을 가장 줄이려면 우유와 시리얼을 얼마나 사야 할까?
  2. 복원\(c > 0\)일 때 \(ax + by \ge c\)의 영역은 경계 직선의 원점 반대쪽이다.
  3. 설명조건은 \(8x + 4y \ge 32\), \(120x + 200y \ge 1000\), \(x, y \ge 0\)이고, 영역은 위쪽과 오른쪽으로 끝없이 열려 있다. 비용 \(800x + 600y = k\)를 원점 쪽으로 최대한 당겼을 때 영역에 마지막으로 닿는 꼭짓점에서 비용이 최소가 되는데, 이 문제에서는 두 기준선의 교점 \(\left(\frac{15}{7}, \frac{26}{7}\right)\)이고 비용은 약 3943원이다.
  4. 연결1940년대 미국에서 가장 싼 영양 식단 문제를 푸는 과정에서 선형계획법이 크게 발전했고, 지금은 사료 배합과 급식 식단 설계에 쓰인다.
  5. 적용점을 움직여 기준을 채우는 가장 싼 조합을 찾고 꼭짓점과 비교해 보자. 그리고 우유와 시리얼을 정수로만 살 수 있다면 가장 싼 조합이 무엇인지 찾아보자.
  6. 판단최적의 꼭짓점이 정수가 아니면 그 근처 정수점이 늘 최적인 것은 아니다. 그래서 정수 조건이 있으면 기준을 만족하는 정수점들을 따로 비교해야 한다.

확인조건이 달라지면

이 카드의 조건에서 우유 2잔, 시리얼 4그릇은 기준을 채울까? 비용은?

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