수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[논술 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

우리는 자연수의 개수가 유한하지 않으며, 홀수, 짝수의 개수 또한 각각 무한함을 알고 있다. 다음 [명제1]과 [명제2]는 자연수 중 특별한 존재인 소수의 개수에 관한 것이다.

f(x)\displaystyle f(x)를 실수 x\displaystyle x보다 크지 않은 소수들의 개수라 정의하자.

[명제1] x≥1\displaystyle x\ge1이면 ln⁡x≤f(x)+1\displaystyle \ln x\le f(x)+1이다.

수열 {An}\displaystyle \{A_{n}\}을 다음과 같이 정의하자.An=22n+1,n=0,1,2,...\displaystyle A_{n}=2^{2^{n}}+1,\qquad n=0,1,2,...

[명제2] n≠m\displaystyle n\ne m이면 An\displaystyle A_{n}과 Am\displaystyle A_{m}은 서로소이다.

1. [명제1]이 참일 때 소수들의 총개수를 구하시오.

2. [명제2]가 참일 때 소수들의 총개수를 구하시오.

3. An−(A0A1⋯An−1)\displaystyle A_{n}-(A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1})의 값을 구하시오. (단, n≥1\displaystyle n\ge1)

4. 위 3번의 답을 이용하여 [명제2]가 참임을 보이시오.

1. 소수의 개수가 유한하다고 가정하고 그 개수를 N\displaystyle N이라 하면, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤N\displaystyle f(x)\le N이다.[명제1]에 의하여 x≥1\displaystyle x\ge1인 모든 x\displaystyle x에 대하여ln⁡x≤f(x)+1≤N+1\displaystyle \ln x\le f(x)+1\le N+1이다.그런데 x→∞\displaystyle x\to\infty일 때 ln⁡x→∞\displaystyle \ln x\to\infty이므로 ln⁡x>N+1\displaystyle \ln x>N+1인 x\displaystyle x가 존재하여 모순이다.따라서 소수의 총개수는 무한하다.

2. An=22n+1≥3\displaystyle A_{n}=2^{2^{n}}+1\ge3이므로 An\displaystyle A_{n}은 적어도 하나의 소인수를 가진다.그중 하나를 골라 pn\displaystyle p_{n}이라 하자.n≠m\displaystyle n\ne m이면 [명제2]에 의하여 An\displaystyle A_{n}과 Am\displaystyle A_{m}이 서로소이므로 두 수는 공통인 소인수를 갖지 않고, 따라서 pn≠pm\displaystyle p_{n}\ne p_{m}이다.즉 서로 다른 n=0,1,2,⋯\displaystyle n=0,1,2,\cdots에 서로 다른 소수 pn\displaystyle p_{n}이 대응하므로 소수는 적어도 자연수만큼 많다.따라서 소수의 총개수는 무한하다.

3. 수학적 귀납법으로 An−2=A0A1⋯An−1\displaystyle A_{n}-2=A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1} (n≥1)\displaystyle (n\ge1)임을 보인다.n=1\displaystyle n=1일 때 A1−2=5−2=3=A0\displaystyle A_{1}-2=5-2=3=A_{0}이므로 성립한다.n=k\displaystyle n=k일 때 Ak−2=A0A1⋯Ak−1\displaystyle A_{k}-2=A_{0}A_{1}\cdots A_{k-1}이 성립한다고 하면Ak+1−2=22k+1−1=(22k)2−1=(22k−1)(22k+1)=(Ak−2)Ak\displaystyle A_{k+1}-2=2^{2^{k+1}}-1=\left(2^{2^{k}}\right)^{2}-1=\left(2^{2^{k}}-1\right)\left(2^{2^{k}}+1\right)=(A_{k}-2)A_{k}이므로 Ak+1−2=A0A1⋯Ak−1Ak\displaystyle A_{k+1}-2=A_{0}A_{1}\cdots A_{k-1}A_{k}가 되어 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때도 성립한다.따라서 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여An−(A0A1⋯An−1)=2\displaystyle A_{n}-(A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1})=2이다.

4. n≠m\displaystyle n\ne m이라 하고, 일반성을 잃지 않고 n>m\displaystyle n>m이라 하자. An\displaystyle A_{n}과 Am\displaystyle A_{m}의 최대공약수를 d\displaystyle d라 하면 d≥1\displaystyle d\ge1이다.m≤n−1\displaystyle m\le n-1이므로 Am\displaystyle A_{m}은 곱 A0A1⋯An−1\displaystyle A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1}의 인수이고, d\displaystyle d가 Am\displaystyle A_{m}의 약수이므로 d\displaystyle d는 A0A1⋯An−1\displaystyle A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1}의 약수이다.또 d\displaystyle d는 An\displaystyle A_{n}의 약수이므로 3번의 결과에 의하여 d\displaystyle d는An−(A0A1⋯An−1)=2\displaystyle A_{n}-(A_{0}A_{1}\cdots A_{n-1})=2의 약수이다.즉 d=1\displaystyle d=1 또는 d=2\displaystyle d=2이다.그런데 An=22n+1\displaystyle A_{n}=2^{2^{n}}+1은 홀수이고 d\displaystyle d는 그 약수이므로 d\displaystyle d는 짝수일 수 없다.따라서 d=1\displaystyle d=1이다.그러므로 n≠m\displaystyle n\ne m이면 An\displaystyle A_{n}과 Am\displaystyle A_{m}은 서로소이고,[명제2]는 참이다.

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