수리논술, 이게 다다.

의예과 3번

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문제

[문항 3] 제시문 (ㄱ)~(ㄷ)을 읽고 논제에 답하시오. (180점)

(ㄱ) 학생 A\displaystyle A와 B\displaystyle B를 포함하는 k+2\displaystyle k+2명으로 구성된 동아리에 대하여 아래 경우의 수를 ak\displaystyle a_k라고 하자. (단, k\displaystyle k는 3\displaystyle 3이상인 자연수이다.)

학생 A,  B\displaystyle A,\;B를 포함하여 동아리 학생 5\displaystyle 5명을 뽑아 원탁에 앉힐 때 A\displaystyle A와 B\displaystyle B가 서로 이웃하여 앉는 경우의 수

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 ak\displaystyle a_k와 3\displaystyle 3보다 큰 소수 p\displaystyle p에 대하여 다음 집합 S\displaystyle S의 가장 작은 원소를 bk\displaystyle b_k라고 하자.

S={m∣m은 m≥akp인 자연수}\displaystyle S=\left\{m\mid m\text{은 }m\geq\frac{a_k}{p}\text{인 자연수}\right\}

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 p\displaystyle p와 bk\displaystyle b_k에 대하여 L\displaystyle L은 다음과 같다.

L=∑k=3p−1bk\displaystyle L=\sum_{k=3}^{p-1}b_k

논제. (180점) 제시문 (ㄷ)의 합 L\displaystyle L을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+40점 · 따라서 제시문 (ㄱ)의 ak\displaystyle a_k는 다음과 같다.ak=k(k−1)(k−2)3!×3!×2=2k(k−1)(k−2)\displaystyle a_k=\frac{k(k-1)(k-2)}{3!}\times3!\times2=2k(k-1)(k-2)

동아리에서 학생 3\displaystyle 3명을 선택하는 경우의 수는 kC3=k(k−1)(k−2)3!\displaystyle {}_{k}\mathrm{C}_{3}=\frac{k(k-1)(k-2)}{3!}, 이웃하는 두 학생 A,  B\displaystyle A,\;B를 한 사람으로 생각하여 4\displaystyle 4명이 원탁에 앉는 경우의 수는 (4−1)!=3!\displaystyle (4-1)!=3!, 이웃하는 두 학생 A,  B\displaystyle A,\;B가 자리를 서로 바꾸는 경우의 수는 2\displaystyle 2이다. 따라서 제시문 (ㄴ)의 ak\displaystyle a_k는 다음과 같다.Correction. 해당 제시문 참조 (ㄴ)은 (ㄱ)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.ak=k(k−1)(k−2)3!×3!×2=2k(k−1)(k−2)\displaystyle a_k=\frac{k(k-1)(k-2)}{3!}\times3!\times2=2k(k-1)(k-2)

+50점

제시문 (ㄷ)의 L\displaystyle L을 구하기 위해bk−akp=ck(k=3,4,⋯ ,p−1)\displaystyle b_k-\frac{a_k}{p}=c_k\qquad(k=3,4,\cdots,p-1)라고 하자. 그러면 0≤ck<1\displaystyle 0\leq c_k<1이다.한편, 2≤l≤p−1\displaystyle 2\leq l\leq p-1인 자연수 l\displaystyle l에 대하여 l<p\displaystyle l<p이므로 3≤k≤p−1\displaystyle 3\leq k\leq p-1인 자연수 k\displaystyle k에 대하여 ak\displaystyle a_k는 3\displaystyle 3보다 큰 소수 p\displaystyle p를 약수로 갖지 않는다. 만약 3≤k≤p−1\displaystyle 3\leq k\leq p-1인 자연수 k\displaystyle k에 대하여 akp\displaystyle \frac{a_k}{p}이 자연수 q\displaystyle q이라면 ak=qp\displaystyle a_k=qp가 되어 자연수를 소인수분해한 결과는 곱하는 순서를 생각하지 않으면 오직 한 가지뿐이라는 것에 모순이다. 따라서 akp\displaystyle \frac{a_k}{p}는 자연수가 아니다. 즉, 3≤k≤p−1\displaystyle 3\leq k\leq p-1인 자연수 k\displaystyle k에 대하여0<ck<1이고0<ck+cp+2−k<2\displaystyle 0<c_k<1\qquad\text{이고}\qquad0<c_k+c_{p+2-k}<2

+50점

한편, 3≤k≤p−1\displaystyle 3\leq k\leq p-1인 자연수 k\displaystyle k에 대하여ck+cp+2−k=bk+bp+2−k−(akp+ap+2−kp)=bk+bp+2−k−2(p2−3(k−1)p+3k2−6k+2)\displaystyle \begin{aligned}c_k+c_{p+2-k}&=b_k+b_{p+2-k}-\left(\frac{a_k}{p}+\frac{a_{p+2-k}}{p}\right)\\&=b_k+b_{p+2-k}-2\left(p^2-3(k-1)p+3k^2-6k+2\right)\end{aligned}이고 이 값이 정수이므로ck+cp+2−k=1(k=3,4,⋯ ,p−1)\displaystyle c_k+c_{p+2-k}=1\qquad(k=3,4,\cdots,p-1)따라서∑k=3p−1ck=∑k=3p−1cp+2−k=p−32\displaystyle \sum_{k=3}^{p-1}c_k=\sum_{k=3}^{p-1}c_{p+2-k}=\frac{p-3}{2}

+40점

그러므로 제시문 (ㄷ)의 L\displaystyle L은 다음과 같다.L=∑k=3p−1bk=∑k=3p−1akp+∑k=3p−1ck=2p∑k=3p−1k(k−1)(k−2)+p−32=2p∑k=1p−2(k3−k)+p−32=(p−1)(p−2)(p−3)2+p−32=(p−3)(p2−3p+3)2\displaystyle \begin{aligned}L=\sum_{k=3}^{p-1}b_k&=\sum_{k=3}^{p-1}\frac{a_k}{p}+\sum_{k=3}^{p-1}c_k=\frac2p\sum_{k=3}^{p-1}k(k-1)(k-2)+\frac{p-3}{2}\\&=\frac2p\sum_{k=1}^{p-2}(k^3-k)+\frac{p-3}{2}=\frac{(p-1)(p-2)(p-3)}{2}+\frac{p-3}{2}\\&=\frac{(p-3)(p^2-3p+3)}{2}\end{aligned}

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