수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (45점)

(가) 공집합이 아닌 두 집합 X,Y\displaystyle X,Y에 대하여 집합 X\displaystyle X의 각 원소에 집합 Y\displaystyle Y의 원소가 오직 하나씩 대응할 때, 이 대응을 집합 X\displaystyle X에서 집합 Y\displaystyle Y로의 함수라고 한다. 이 함수를 f\displaystyle f라 할 때, 기호 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y로 나타낸다.

(나) 함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y에서 정의역 X\displaystyle X의 임의의 두 원소 x1,x2\displaystyle x_1,x_2에 대하여x1≠x2\displaystyle x_1\ne x_2이면 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f(x_1)\ne f(x_2)가 성립할 때, 이 함수 f\displaystyle f를 일대일함수라고 한다. 특히, 함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y가 일대일함수이고 치역과 공역이 같을 때, 이 함수 f\displaystyle f를 일대일대응이라고 한다.

(다) 세 점 A(x1,y1)\displaystyle \mathrm{A}(x_1,y_1), B(x2,y2)\displaystyle \mathrm{B}(x_2,y_2), C(x3,y3)\displaystyle \mathrm{C}(x_3,y_3)을 꼭짓점으로 하는 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 무게중심의 좌표는(x1+x2+x33,y1+y2+y33)\displaystyle \left(\frac{x_1+x_2+x_3}3,\frac{y_1+y_2+y_3}3\right)

(라) 점 P(x0,y0)\displaystyle \mathrm{P}(x_0,y_0)와 직선 ax+by+c=0\displaystyle ax+by+c=0 (ab≠0\displaystyle ab\ne0) 사이의 거리는∣ax0+by0+c∣a2+b2\displaystyle \frac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}

집합 S={1,2,3,4,5,6}\displaystyle S=\{1,2,3,4,5,6\}에서 S\displaystyle S로의 함수 f:S→S\displaystyle f:S\to S가 일대일대응이고an=kf(n)(n=1,2,3,4,5,6)\displaystyle a_n=k^{f(n)}\quad(n=1,2,3,4,5,6)이라 하자. (단, k\displaystyle k는 상수)

[논제 1] 첫째항이 양수이고 공비가 r\displaystyle r (r>1\displaystyle r>1)인 등비수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}과 실수 k\displaystyle k (k<0\displaystyle k<0, k≠−1\displaystyle k\ne-1)에 대하여,∑n=16anbn\displaystyle \sum_{n=1}^6 a_nb_n의 값이 최대가 되도록 하는 일대일대응인 함수 f(n)\displaystyle f(n)을 모두 구하시오. (20점)

[논제 2] an=2f(n)\displaystyle a_n=2^{f(n)}일 때, 꼭짓점이A(n,n), B(an,n+1), C(n+1,n+2)\displaystyle \mathrm{A}(n,n),\ \mathrm{B}(a_n,n+1),\ \mathrm{C}(n+1,n+2)인 삼각형의 무게중심을 Gn\displaystyle \mathrm{G}_n이라 하자. (n=1,2,3,4,5,6\displaystyle n=1,2,3,4,5,6)다음 조건을 만족시키는 일대일대응인 함수 f(n)\displaystyle f(n)을 모두 구하시오. (25점)

점 Gn\displaystyle \mathrm{G}_n 중 한 점을 제외한 모든 점과 직선 3x+4y=0\displaystyle 3x+4y=0 사이의 거리의 값이 자연수이다.

해설강의 준비중

[논제 1] ∑n=16anbn\displaystyle \sum_{n=1}^6a_nb_n의 값이 최대라고 하자. 만약 i<j\displaystyle i<j일 때 ai>aj\displaystyle a_i>a_j인 ai\displaystyle a_i와 aj\displaystyle a_j가 있으면 ∑n=16anbn\displaystyle \sum_{n=1}^6a_nb_n 중의 두 항 aibi\displaystyle a_ib_i, ajbj\displaystyle a_jb_j를 각각 aibj\displaystyle a_ib_j, ajbi\displaystyle a_jb_i로 바꾸었을 때 합의 변화량은(aibj+ajbi)−(aibi+ajbj)=(ai−aj)(bj−bi)>0\displaystyle (a_ib_j+a_jb_i)-(a_ib_i+a_jb_j)=(a_i-a_j)(b_j-b_i)>0이므로 aibj+ajbi>aibi+ajbj\displaystyle a_ib_j+a_jb_i>a_ib_i+a_jb_j가 되어 ∑n=16anbn\displaystyle \sum_{n=1}^6a_nb_n의 값이 최대가 아니다. 따라서 ∑n=16anbn\displaystyle \sum_{n=1}^6a_nb_n의 값이 최대가 되기 위해서는 a1<a2<a3<a4<a5<a6\displaystyle a_1<a_2<a_3<a_4<a_5<a_6이어야 한다. 그러므로① k<−1\displaystyle k<-1인 경우 : k5<k3<k<k2<k4<k6\displaystyle k^5<k^3<k<k^2<k^4<k^6이므로f(1)=5, f(2)=3, f(3)=1, f(4)=2, f(5)=4, f(6)=6\displaystyle f(1)=5,\ f(2)=3,\ f(3)=1,\ f(4)=2,\ f(5)=4,\ f(6)=6② −1<k<0\displaystyle -1<k<0인 경우 : k<k3<k5<k6<k4<k2\displaystyle k<k^3<k^5<k^6<k^4<k^2이므로f(1)=1, f(2)=3, f(3)=5, f(4)=6, f(5)=4, f(6)=2\displaystyle f(1)=1,\ f(2)=3,\ f(3)=5,\ f(4)=6,\ f(5)=4,\ f(6)=2

[논제 2] 제시문 (다)에 의하여 무게중심은 Gn(2n+1+2f(n)3,n+1)\displaystyle \mathrm{G}_n\left(\frac{2n+1+2^{f(n)}}3,n+1\right)이고, Gn\displaystyle \mathrm{G}_n과 직선 3x+4y=0\displaystyle 3x+4y=0 사이의 거리 d\displaystyle d는d=∣2n+1+2f(n)+4n+4∣5=n+2f(n)5+n+1\displaystyle d=\frac{|2n+1+2^{f(n)}+4n+4|}5=\frac{n+2^{f(n)}}5+n+1따라서 d\displaystyle d가 자연수이려면 n+2f(n)\displaystyle n+2^{f(n)}이 5\displaystyle 5의 배수이어야 한다.21=2\displaystyle 2^1=2, 22=4\displaystyle 2^2=4, 23=8\displaystyle 2^3=8, 24=16\displaystyle 2^4=16, 25=32\displaystyle 2^5=32, 26=64\displaystyle 2^6=64이므로 각 n=1,2,3,4,5,6\displaystyle n=1,2,3,4,5,6에 대하여 n+2f(n)\displaystyle n+2^{f(n)}이 5\displaystyle 5의 배수인 f(n)\displaystyle f(n)은 다음과 같다.

n\displaystyle n1\displaystyle 12\displaystyle 23\displaystyle 34\displaystyle 45\displaystyle 56\displaystyle 6
n+2f(n)\displaystyle n+2^{f(n)}이 5\displaystyle 5의 배수인 f(n)\displaystyle f(n)2, 6\displaystyle 2,\ 63\displaystyle 31, 5\displaystyle 1,\ 54\displaystyle 4없음2, 6\displaystyle 2,\ 6

따라서 구하는 함수 f(n)\displaystyle f(n)은① f(1)=2, f(2)=3, f(3)=1, f(4)=4, f(5)=5, f(6)=6\displaystyle f(1)=2,\ f(2)=3,\ f(3)=1,\ f(4)=4,\ f(5)=5,\ f(6)=6② f(1)=2, f(2)=3, f(3)=5, f(4)=4, f(5)=1, f(6)=6\displaystyle f(1)=2,\ f(2)=3,\ f(3)=5,\ f(4)=4,\ f(5)=1,\ f(6)=6③ f(1)=6, f(2)=3, f(3)=1, f(4)=4, f(5)=5, f(6)=2\displaystyle f(1)=6,\ f(2)=3,\ f(3)=1,\ f(4)=4,\ f(5)=5,\ f(6)=2④ f(1)=6, f(2)=3, f(3)=5, f(4)=4, f(5)=1, f(6)=2\displaystyle f(1)=6,\ f(2)=3,\ f(3)=5,\ f(4)=4,\ f(5)=1,\ f(6)=2

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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