수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

A 도서관에서는 소장하고 있는 세 종류의 책(교양과학서, 아동도서, 백과사전)을 책장에 채워 넣기 위하여 책장 한 칸을 채우는 데 몇 권의 책이 필요한지 알아보고자 한다. 이를 위하여 도서관장은 갑, 을, 병에게 조사를 의뢰하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.

갑: 교양과학서 2권, 아동도서 3권, 백과사전 3권으로 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있다.을: 교양과학서 4권, 아동도서 3권, 백과사전 2권으로 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있다.병: 교양과학서 4권, 아동도서 4권, 백과사전 3권으로 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있다.

한편, 도서관장도 책장을 채우려 시도하였고 다음과 같은 사실을 알게 되었다.① 동일한 종류의 책들은 같은 두께를 가진다.② 세 종류의 도서 중 특정한 한 종류의 도서로만 책장 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있다.③ ②와 같이 한 종류로 책장 한 칸을 채우는 경우 15권의 책이 필요하다.

(1) 갑, 을, 병의 조사 결과 중 하나는 잘못되었다. 누구의 결과가 잘못되었는지 판단하고 그 이유를 설명하시오.

(2) 책장 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있는 도서는 어떤 종류인지 밝히고 그 근거를 제시하시오.

해설강의 준비중

(1) 교양과학서의 두께를 x\displaystyle x, 아동도서의 두께를 y\displaystyle y, 백과사전의 두께를 z\displaystyle z, 그리고 책장 한 칸의 너비를 w\displaystyle w라 하면 갑, 을, 병 세 사람의 조사결과를 다음과 같이 쓸 수 있다.

갑: 2x+3y+3z=w\displaystyle 2x+3y+3z=w을: 4x+3y+2z=w\displaystyle 4x+3y+2z=w병: 4x+4y+3z=w\displaystyle 4x+4y+3z=w

1) 갑, 을의 결과로부터 2x+3y+3z=4x+3y+2z\displaystyle 2x+3y+3z=4x+3y+2z, 즉 z=2x\displaystyle z=2x를 얻을 수 있다.2) 을, 병의 결과로부터 4x+3y+2z=4x+4y+3z\displaystyle 4x+3y+2z=4x+4y+3z, 즉 y=−z\displaystyle y=-z를 얻을 수 있는데 y\displaystyle y, z\displaystyle z는 모두 책의 두께이므로 양수이어야 한다. 따라서 이 식은 틀렸음을 알 수 있다.3) 갑, 병의 결과로부터 2x+3y+3z=4x+4y+3z\displaystyle 2x+3y+3z=4x+4y+3z, 즉 y=−2x\displaystyle y=-2x를 얻게 되어 역시 틀린 결과를 얻게 된다.

1)∼3)으로부터 병의 조사결과가 잘못되었음을 알 수 있다.

(2)i) 교양과학서 15권으로 책장을 빈틈없이 채울 수 있다고 가정하면 15x=w\displaystyle 15x=w이다. 이 사실과 x=z/2\displaystyle x=z/2 로부터 백과사전으로 책장을 채우려면 백과사전은 7.5권이 필요함을 알 수 있다. 또한, 15x=w\displaystyle 15x=w를 이용하여 갑 또는 을의 조사결과를 다시 써 보면 8x+3y=w=15x\displaystyle 8x+3y=w=15x, 즉 3y=7x\displaystyle 3y=7x, 혹은 x=3/7 y\displaystyle x=3/7\ y를 얻는다. 따라서 아동도서로 책장을 채우려면 아동도서가 45/7\displaystyle 45/7권 필요하다. 따라서 교양과학서 이외의 도서로는 책장을 빈틈없이 채울 수 없다.

ii) 아동도서 15권으로 책장을 빈틈없이 채울 수 있다고 가정하면 15y=w\displaystyle 15y=w가 된다. 이 사실과 z=2x\displaystyle z=2x임을 이용하여 갑 또는 을의 조사결과를 다시 써 보면 8x+3y=w=15y\displaystyle 8x+3y=w=15y, 즉 2x=z=3y\displaystyle 2x=z=3y를 얻는다. 즉, 아동도서 15권의 두께는 백과사전 5권의 두께와 같아 백과사전 5권으로도 책장 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있게 되어 조건 ②, ③에 위배된다.

iii) 백과사전 15권으로 책장을 빈틈없이 채울 수 있다고 가정하면 15z=w\displaystyle 15z=w가 된다. 위에서 z=2x\displaystyle z=2x이므로 백과사전 15권의 두께는 교양과학서 30권의 두께와 같다. 즉 교양과학서 30권으로도 책장 한 칸을 빈틈없이 채울 수 있게 되어 조건 ②, ③에 위배된다.

i)∼iii)으로부터 문제의 조건을 만족하며 책장을 빈틈없이 채울 수 있는 도서는 교양과학서뿐임을 알 수 있다.

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