수리논술, 이게 다다.

인문계열 Ⅲ-2번

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문제

Ⅲ. 다음 문제를 반드시 풀이과정을 포함하여 답하시오.

2. 50원짜리와 100원짜리 동전을 이용하는 커피 자동판매기가 있다고 하자. 이 커피 자동판매기 이용자의 수중에 50원짜리 동전과 100원짜리 동전이 충분히 있다고 할 때,

(1) 200원짜리 보통 커피를 마시기 위해 동전을 투입하는 방법은 (50원, 50원, 50원, 50원), (50원, 50원, 100원), (50원, 100원, 50원), (100원, 50원, 50원), (100원, 100원)의 다섯 가지가 있다. 그렇다면 500원짜리 고급 커피를 먹기 위해 500원을 자판기에 투입하는 방법은 모두 몇 가지인가? [5점]

(2) 어떤 금액을 만드는 데 사용되는 50원짜리 동전의 최대수를 n\displaystyle n이라 하고 그 금액을 만드는 방법의 수를 f(n)\displaystyle f(n)으로 표현하자. 예를 들어 200원을 만드는 데 사용될 수 있는 50원짜리 동전의 최대수는 4이므로 n=4\displaystyle n=4이고 200원을 만드는 방법의 수는 다섯 가지이므로 f(4)=5\displaystyle f(4)=5이다. f(0)\displaystyle f(0)를 1로 정의했을 때 f(n+2)\displaystyle f(n+2), f(n+1)\displaystyle f(n+1), f(n)\displaystyle f(n) (n=0,1,⋯ ,\displaystyle n=0,1,\cdots,)간의 관계를 구하시오. [5점]

(3) 어떤 금액을 만드는 데 사용되는 50원짜리 동전의 최대수 n\displaystyle n이 결정되면 그 금액을 만드는 방법의 수f(n)\displaystyle f(n)이 계산될 수 있도록 그 일반식을 유도하시오. [10점]

해설강의 준비중

(1)

50원 짜리 동전과 100원 짜리 동전으로 500원을 만드는 방법에 대한 경우의 수는 다음과 같다.

(1,1,1,1,1,1,1,1,1,1) : 1가지(1,1,1,1,1,1,1,1,2) : 9C1=9\displaystyle {}_{9}\mathrm{C}_{1}=9가지(1,1,1,1,1,1,2,2) : 8C2=28\displaystyle {}_{8}\mathrm{C}_{2}=28가지(1,1,1,1,2,2,2) : 7C3=35\displaystyle {}_{7}\mathrm{C}_{3}=35가지(1,1,2,2,2,2) : 6C4=15\displaystyle {}_{6}\mathrm{C}_{4}=15가지(2,2,2,2,2) : 1가지

이므로 총합은 89가지이다.

답 : 89가지

(2)

50원 짜리 동전을 1, 100원 짜리 동전을 2라고 하라 n\displaystyle n에 대응되는 f(n)\displaystyle f(n)을 나열해 가면 다음과 같다.

목표 금액
(n)(n)
50원100원150원200원250원⋯
경우의 수(1)(1,1)
(2)
(1,1,1)
(1,2)
(2,1)
(1,1,1,1)
(1,1,2)
(1,2,1)
(2,1,1)
(2,2)
(1,1,1,1,1)
(1,1,1,2)
(1,1,2,1)
(1,2,1,1)
(2,1,1,1)
(1,2,2)
(2,2,1)
(2,1,2)
⋯
합계
(f(n))(f(n))
1가지2가지3가지5가지8가지⋯

이런 방법으로 전개를 해 나가면 방법 수는 피보나치 수열을 형성함을 알 수 있다. 즉, n\displaystyle n에 대응되는 f(n)\displaystyle f(n)을 나열해 가면서 f(n+2)=f(n+1)+f(n)\displaystyle f(n+2)=f(n+1)+f(n) (n≥0\displaystyle n\ge0)의 관계를 확인할 수 있다.

답 : f(n+2)=f(n+1)+f(n)\displaystyle f(n+2)=f(n+1)+f(n), (n=0,1,⋯ ,\displaystyle n=0,1,\cdots,)

(3)

(2)에서 얻은 f(n+2)=f(n+1)+f(n)\displaystyle f(n+2)=f(n+1)+f(n) (n≥0\displaystyle n\ge0)로부터 이 식을 다음과 같이 변형한다.

f(n+2)−af(n+1)=b[f(n+1)−af(n)].\displaystyle f(n+2)-af(n+1)=b[f(n+1)-af(n)]. ①

(2)에서 얻은 식과 ①이 같은 식이므로 a+b=1\displaystyle a+b=1, ab=−1\displaystyle ab=-1임을 알 수 있고 이차방정식의 근과 계수와의 관계를 이용하면 a\displaystyle a, b\displaystyle b는 x2−x−1=0\displaystyle x^2-x-1=0의 근임을, 그리고 이 들 값은 1±52\displaystyle \frac{1\pm\sqrt{5}}{2}임을 쉽게 알 수 있다.

여기서 g(n)=f(n+1)−af(n)\displaystyle g(n)=f(n+1)-af(n)이라고 하면 g(n+1)=bg(n)\displaystyle g(n+1)=bg(n)이므로 이는 공비가 b\displaystyle b인 등비수열이 된다. 초항 g(0)=f(1)−af(0)=1−a=b\displaystyle g(0)=f(1)-af(0)=1-a=b이므로 수열

g(n)=f(n+1)−af(n)=bn+1\displaystyle g(n)=f(n+1)-af(n)=b^{n+1}, (n≥0\displaystyle n\ge0) ②

이다.

여기서 a\displaystyle a의 역할과 b\displaystyle b의 역할이 서로 바뀔 수 있으므로 다음 식도 얻어 낼 수 있다.

g(n)=f(n+1)−bf(n)=an+1\displaystyle g(n)=f(n+1)-bf(n)=a^{n+1}, (n≥0\displaystyle n\ge0) ③

식 ②와 ③을 빼면 다음 식이 얻어진다.

(b−a)f(n)=bn+1−an+1\displaystyle (b-a)f(n)=b^{n+1}-a^{n+1},

f(n)=bn+1−an+1b−a.\displaystyle f(n)=\frac{b^{n+1}-a^{n+1}}{b-a}. ④

식 ④는 a\displaystyle a와b\displaystyle b가 1±52\displaystyle \frac{1\pm\sqrt{5}}{2}의 어떤 값을 갖더라도 항상 다음과 같다.

답 : f(n)=(1+52)n+1−(1−52)n+15\displaystyle f(n)=\frac{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)^{n+1}-\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)^{n+1}}{\sqrt{5}}, (n≥0\displaystyle n\ge0)

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