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자연계열 2번

문제

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각 5점

[문제 2-1](1) 함숫값 f(1),f(2),,f(9)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(9)을 차례로 나열하면 4,2,3,3,2,4,4,3,1\displaystyle 4,2,3,3,2,4,4,3,1이므로, f\displaystyle f의 반복쌍은 (2,3)\displaystyle (2,3)(4,3)\displaystyle (4,3)뿐임을 관찰할 수 있다.

+6점

(2) 1i6\displaystyle 1\le i\le6일 때, g(i)=f(i)\displaystyle g(i)=f(i)이고, 7in2\displaystyle 7\le i\le n-2일 때 g(i)=4\displaystyle g(i)=4이고,

+4점

g(n1)=f(8)\displaystyle g(n-1)=f(8), g(n)=f(9)\displaystyle g(n)=f(9)로 정의되는 함수 g\displaystyle g는 주어진 조건을 만족한다.

+7점

[문제 2-2](1) N4\displaystyle N_4의 서로 다른 두 자연수 s\displaystyle st\displaystyle t로 이루어진 모든 순서쌍 (s,t)\displaystyle (s,t)가 반복쌍인 함수 f\displaystyle f가 존재한다고 하자. 함숫값 f(1),f(2),,f(m)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(m)을 차례로 나열했을 때 1,2,3,4\displaystyle 1,2,3,4가 각각 적어도 두 번 나타나야 한다. 편의상 ai=f(i)\displaystyle a_i=f(i)라 적자. a1\displaystyle a_1이 함숫값의 나열에서 정확히 두 번 나타나면, a1\displaystyle a_1이 아닌 임의의 원소 b\displaystyle b에 대하여, (b,a1)\displaystyle (b,a_1)이 반복쌍이 될 수 없으므로, a1\displaystyle a_1은 함숫값의 나열에서 세 번 이상 나타난다. aia1\displaystyle a_i\ne a_1인 가장 작은 i\displaystyle i를 고르자. a1,ai\displaystyle a_1,a_i가 아닌 임의의 원소 b\displaystyle b에 대하여, (b,ai)\displaystyle (b,a_i)가 반복쌍이려면, ai\displaystyle a_i는 함숫값의 나열에서 세 번 이상 나타나야 한다. 마찬가지로, aja1,ai\displaystyle a_j\ne a_1,a_i인 가장 작은 j\displaystyle j를 고르자. a1,ai,aj\displaystyle a_1,a_i,a_j가 아닌 임의의 원소 b\displaystyle b에 대하여, (b,aj)\displaystyle (b,a_j)가 반복쌍이려면 aj\displaystyle a_j이 함숫값의 나열에서 세 번 이상 나타난다. 즉 m\displaystyle m은 11이상이어야 한다.

+3점

예를 들어 g(1),g(2),,g(11)\displaystyle g(1),g(2),\cdots,g(11)을 차례로 나열한 것이 1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3\displaystyle 1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3인 함수 g:N11N4\displaystyle g:N_{11}\to N_4에 대하여 N4\displaystyle N_4의 서로 다른 두 자연수 s\displaystyle st\displaystyle t로 이루어진 모든 순서쌍 (s,t)\displaystyle (s,t)g\displaystyle g의 반복쌍이다. 따라서 m\displaystyle m의 최솟값은 11이다.

+5점

(2) 귀류법으로 증명하자. 반복쌍의 집합이 {(1,2),(2,3),(3,4),(4,1)}\displaystyle \{(1,2),(2,3),(3,4),(4,1)\}인 함수 f\displaystyle f가 존재한다고 가정하자. f(1),f(2),,f(m)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(m)을 차례로 나열한 것을 생각하자. f(1),f(2),,f(k)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(k)에서 반복쌍이 나타나는 가장 작은 k\displaystyle k를 생각하자. 예를 들어 그때의 반복쌍을 (1,2)\displaystyle (1,2)라 하자. 또한 k\displaystyle k의 성질과 반복쌍의 집합의 성질에 의하여, f(1),f(2),,f(k)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(k)에서 반복쌍은 정확히 하나뿐이다.

+5점

한편 (4,1)\displaystyle (4,1)이 반복쌍이므로, f(k+1),f(k+2),,f(m)\displaystyle f(k+1),f(k+2),\cdots,f(m)에 1이 나타난다. 그러면 (2,1)\displaystyle (2,1)f\displaystyle f의 반복쌍이 되어 반복쌍이 (1,2),(2,3),(3,4),(4,1)\displaystyle (1,2),(2,3),(3,4),(4,1)뿐이라는 조건에 모순이다. f(1),f(2),,f(k)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(k)에서 나타나는 반복쌍이 (2,3)\displaystyle (2,3), (3,4)\displaystyle (3,4), (4,1)\displaystyle (4,1)인 경우도 같은 방법으로 증명된다.

+6점

[문제 2-3]치역의 원소의 개수가 1인 경우의 수는 n\displaystyle n이다. 치역의 원소의 개수가 2인 경우를 생각하자. 조건을 만족하려면 함숫값 f(1),f(2),,f(n)\displaystyle f(1),f(2),\cdots,f(n)을 차례로 나열했을 때 숫자가 두 번 이하로 바뀌어야 한다. 숫자가 한 번 바뀌는 경우는 첫 번째 자리를 제외한 (n1)\displaystyle (n-1)개의 자리 중 숫자가 바뀔 한 자리를 고르는 경우를 살펴야 하고, 숫자가 두 번 바뀌는 경우는 (n1)\displaystyle (n-1)개의 자리 중 숫자가 바뀔 두 자리를 고르는 경우가 된다. 따라서, 다음이 성립한다.an=n+n(n1)×(n1C1+n1C2)=n+n(n1)(n1+(n1)(n2)2)=n+n2(n1)22\displaystyle \begin{aligned}a_n&=n+n(n-1)\times\left({}_{n-1}\mathrm{C}_1+{}_{n-1}\mathrm{C}_2\right)\\&=n+n(n-1)\left(n-1+\frac{(n-1)(n-2)}2\right)=n+\frac{n^2(n-1)^2}2\end{aligned}

+4점

이로부터 ann=1+n(n1)22\displaystyle \frac{a_n}n=1+\frac{n(n-1)^2}2이므로 ann>2025\displaystyle \frac{a_n}n>2025을 계산하면, n17\displaystyle n\ge17이어야 한다. 따라서 구하는 n\displaystyle n의 최솟값은 17이다.

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