수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문항 1] (50점) 다음 제시문을 읽고 주어진 질문에 답하시오.

(가) 음이 아닌 정수의 집합을 U\displaystyle U라고 할 때, 1보다 큰 두 자연수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 U\displaystyle U의 부분집합 S(a,b)\displaystyle S(a,b)를 다음과 같이 정의하자.S(a,b)={am+bn∣m,n은 U의 원소}\displaystyle S(a,b)=\{am+bn\mid m,n\text{은 }U\text{의 원소}\}두 자연수 a,b\displaystyle a,b가 모두 1보다 크므로 1은 S(a,b)\displaystyle S(a,b)의 원소가 아니며 ab\displaystyle ab는 S(a,b)\displaystyle S(a,b)의 원소임을 알 수 있다. 예를 들어 a=2,b=3\displaystyle a=2,b=3이라면 S(2,3)\displaystyle S(2,3)에는 모든 양의 2의 배수와 양의 3의 배수가 포함된다. 또, 1보다 큰 모든 홀수 c\displaystyle c에 대하여 c=2k+1\displaystyle c=2k+1 (k\displaystyle k는 자연수)로 나타낼 수 있으므로 c−3=2k−2=2(k−1)\displaystyle c-3=2k-2=2(k-1)이고 c=2(k−1)+3\displaystyle c=2(k-1)+3은 S(2,3)\displaystyle S(2,3)의 원소이다. 따라서S(2,3)={0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,⋯ }=U−{1}\displaystyle S(2,3)=\{0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,\cdots\}=U-\{1\}이다.

(나) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Xn\displaystyle X_n은 n\displaystyle n이하의 자연수의 집합이다. 정의역과 공역이 모두 Xn\displaystyle X_n인 함수 f\displaystyle f에 대해 다음과 같은 <조건>을 생각하자.<조건>정의역의 모든 원소 x\displaystyle x에 대하여 (f∘f)(x)=f(x)\displaystyle (f\circ f)(x)=f(x)이다.

예를 들어 집합 X2={1,2}\displaystyle X_2=\{1,2\}일 때, f:X2→X2\displaystyle f:X_2\to X_2가 상수함수 또는 항등함수라면 <조건>을 만족하지만, 그렇지 않으면 <조건>을 만족하지 않는다.

[문제 1-1] (30점)제시문 (가)를 읽고 물음에 답하시오.(1) 집합 A={x∣x∈U 그리고 x≤2024}\displaystyle A=\{x\mid x\in U\text{ 그리고 }x\le2024\}일 때, S(2,3)\displaystyle S(2,3)에 대한 결과를 이용하여 n(A∩S(10,15))\displaystyle n(A\cap S(10,15))를 구하시오.(2) 명제 ‘a\displaystyle a 이상의 모든 자연수 x\displaystyle x에 대하여 x∈S(3,4)\displaystyle x\in S(3,4)이다.’가 참이 되도록 하는 자연수 a\displaystyle a의 최솟값을 구하시오.(3) 명제 ‘어떤 양의 7의 배수는 S(2,b)\displaystyle S(2,b)의 원소가 아니다.’가 거짓이 되도록 하는 2보다 큰 자연수 b\displaystyle b를 모두 구하시오.

[문제 1-2] (20점)제시문 (나)를 읽고 물음에 답하시오.(1) 함수 f:Xn→Xn\displaystyle f:X_n\to X_n가 <조건>을 만족하면 f\displaystyle f의 치역은 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}임을 증명하시오.(2) <조건>을 만족하는 함수 f:X3→X3\displaystyle f:X_3\to X_3의 개수를 구하시오.

해설강의 준비중
+3점 · (A) x∈S(2,3)\displaystyle x\in S(2,3)이면 5x∈S(10,15)\displaystyle 5x\in S(10,15)임을 관찰

[문제 1-1](1) (10점)10=5×2\displaystyle 10=5\times2, 15=5×3\displaystyle 15=5\times3이므로• x=2m+3n\displaystyle x=2m+3n (m,n\displaystyle m,n은 음이 아닌 정수)가 S(2,3)\displaystyle S(2,3)의 원소라면 5x=10m+15n\displaystyle 5x=10m+15n는 S(10,15)\displaystyle S(10,15)의 원소이다.

+4점 · (B) y∈S(10,15)\displaystyle y\in S(10,15)이면 y=5x\displaystyle y=5x (x∈S(2,3)\displaystyle x\in S(2,3))임을 보임

• y=10m+15n\displaystyle y=10m+15n (m,n\displaystyle m,n은 음이 아닌 정수)가 S(10,15)\displaystyle S(10,15)의 원소라면 y=5(2m+3n)=5x\displaystyle y=5(2m+3n)=5x이므로 x=2m+3n\displaystyle x=2m+3n는 S(2,3)\displaystyle S(2,3)의 원소이다.

+3점 · (C) n(A∩S(10,15))=404\displaystyle n(A\cap S(10,15))=404를 구함

위의 관찰에 의해 S(10,15)={5x∣x는 S(2,3)의 원소}={0,10,15,20,25,30,35,⋯ }\displaystyle S(10,15)=\{5x\mid x\text{는 }S(2,3)\text{의 원소}\}=\{0,10,15,20,25,30,35,\cdots\}이므로 S(10,15)∩A={5k∣k=0,1,⋯ ,404}−{5}\displaystyle S(10,15)\cap A=\{5k\mid k=0,1,\cdots,404\}-\{5\}이다. 따라서 n(A∩S(10,15))=404‾\displaystyle \underline{n(A\cap S(10,15))=404}이다.

+3점 · (A) a≤5\displaystyle a\le5이면 주어진 명제는 거짓임

(2) (10점)3보다 작은 두 자연수 1과 2는 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소가 아니고, 3과 4는 당연히 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소이다. 5는 3의 배수도 아니고 4의 배수도 아니므로, 만약 5가 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소라면, 어떤 자연수 m,n\displaystyle m,n에 대하여 5=3m+4n\displaystyle 5=3m+4n을 만족한다. 하지만 3m+4n\displaystyle 3m+4n은 7이상의 자연수이므로 모순이 생긴다. 따라서 5는 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소가 아니고 a≤5\displaystyle a\le5이면 주어진 명제는 거짓이다.

+3점 · (B) 6,7,8\displaystyle 6,7,8은 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소임

이제 6이상의 자연수 중 S(3,4)\displaystyle S(3,4)에 포함되는 원소를 모두 찾아보자. 6=3×2+4×0\displaystyle 6=3\times2+4\times0, 7=3×1+4×1\displaystyle 7=3\times1+4\times1, 8=3×0+4×2\displaystyle 8=3\times0+4\times2이므로 6,7,8\displaystyle 6,7,8은 세 개의 연속된 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소이고 9=6+3\displaystyle 9=6+3, 10=7+3\displaystyle 10=7+3, 11=8+3\displaystyle 11=8+3도 모두 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소이다.

+4점 · (C) 6이상의 자연수는 모두 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소임

이 과정을 계속하면 6이상의 모든 자연수가 S(3,4)\displaystyle S(3,4)의 원소임을 알 수 있다. 따라서 S(3,4)={0,3,4,6,7,8,⋯ }=U−{1,2,5}\displaystyle S(3,4)=\{0,3,4,6,7,8,\cdots\}=U-\{1,2,5\}이고 a=6‾\displaystyle \underline{a=6}이 주어진 명제가 참이 되는 자연수 a\displaystyle a의 최솟값이다.

+4점 · (A) 주어진 명제의 부정을 잘 기술하고 부정명제가 참이 되는 b\displaystyle b를 찾으면 됨을 관찰함

(3) (10점)주어진 명제의 부정은 ‘모든 양의 7의 배수는 S(2,b)\displaystyle S(2,b)의 원소이다’이므로 모든 양의 7의 배수가 집합 S(2,b)\displaystyle S(2,b)에 포함되는 2보다 큰 자연수 b\displaystyle b를 찾으면 된다.

+3점 · (B) b\displaystyle b는 홀수이어야 함

b\displaystyle b가 짝수이면 S(2,b)\displaystyle S(2,b)의 모든 원소는 짝수이므로 b\displaystyle b는 홀수이다.

+3점 · (C) b=3,5,7\displaystyle b=3,5,7

• 제시문 (가)에 의하여 모든 양의 7의 배수가 S(2,3)\displaystyle S(2,3)에 포함된다.• 2+5=7\displaystyle 2+5=7이고 자연수 x\displaystyle x에 대하여 7x=2x+5x\displaystyle 7x=2x+5x이므로 모든 양의 7의 배수가 S(2,5)\displaystyle S(2,5)에 포함된다.• 모든 양의 7의 배수가 S(2,7)\displaystyle S(2,7)에 포함된다.• b≥9\displaystyle b\ge9이면 7∉S(2,b)\displaystyle 7\notin S(2,b)따라서 답은 b=3,5,7‾\displaystyle \underline{b=3,5,7}이다.

+5점 · (A) f\displaystyle f의 치역의 원소는 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}의 원소임

[문제 1-2](1) (10점)f\displaystyle f의 치역에 속하는 한 원소를 b\displaystyle b라 하면, 정의역의 어떤 원소 a\displaystyle a에 대하여 f(a)=b\displaystyle f(a)=b이다. f\displaystyle f는 <조건>을 만족하므로 (f∘f)(a)=f(a)\displaystyle (f\circ f)(a)=f(a)이고 f(b)=b\displaystyle f(b)=b가 된다. 따라서 f\displaystyle f의 치역은 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}의 부분집합이다.

+3점 · (B) {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}의 원소는 치역에 들어감

한편, 집합 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}가 f\displaystyle f의 치역의 부분집합이 되는 것은 명백하므로

+2점 · (C) f\displaystyle f의 치역과 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}가 서로 부분집합이므로 같음

f\displaystyle f의 치역은 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}이다.

+3점 · (A) 치역에 따라 분류

(2) (10점)함수 f:X3→X3\displaystyle f:X_3\to X_3가 <조건>을 만족한다고 하자. (1)에 의하여 f\displaystyle f의 치역은 {x∈Xn∣f(x)=x}\displaystyle \{x\in X_n\mid f(x)=x\}임을 알고 있으므로, 치역으로 가능한 X3\displaystyle X_3의 공집합이 아닌 부분집합을 모두 생각한다.Correction. 여기서는 함수 f:X3→X3\displaystyle f:X_3\to X_3를 다루므로, 고정점 집합에 적힌 Xn\displaystyle X_n은 X3\displaystyle X_3로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+3점 · (B) 치역의 원소 x\displaystyle x는 f(x)=x\displaystyle f(x)=x를 만족함

• 치역이 {1,2,3}\displaystyle \{1,2,3\}이면 f(1)=1\displaystyle f(1)=1, f(2)=2\displaystyle f(2)=2, f(3)=3\displaystyle f(3)=3이어야 하고 이 함수는 <조건>을 만족하므로 1개의 함수가 존재한다.• 치역이 {1,2}\displaystyle \{1,2\}이면 f(1)=1\displaystyle f(1)=1, f(2)=2\displaystyle f(2)=2이어야 하고 f(3)\displaystyle f(3)의 값은 1 또는 2일 때 모두 <조건>을 만족하므로 이 경우 2개의 함수가 <조건>을 만족한다. 치역이 {2,3}\displaystyle \{2,3\}, {1,3}\displaystyle \{1,3\}일 때도 같은 이유로 각각 2개의 함수가 <조건>을 만족한다.• 치역의 원소의 개수가 하나이면 f\displaystyle f는 상수함수이어야 하고 f\displaystyle f는 <조건>을 만족한다. 따라서 치역의 원소의 개수가 하나이며 <조건>을 만족하는 함수는 3개이다.

+4점 · (C) 총 10개의 함수가 <조건>을 만족함

따라서 모두 1+(3×2)+(3×1)=10‾\displaystyle \underline{1+(3\times2)+(3\times1)=10}개의 함수가 <조건>을 만족한다.

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