+3점 · (a) 조건을 만족하는 집합 A \displaystyle A A 를 찾으면 (3-1) (a) A = { 1 , 2 , 4 , 8 } \displaystyle A=\{1,2,4,8\} A = { 1 , 2 , 4 , 8 } 이면 A ~ = { 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 9 , 10 , 12 , 16 } \displaystyle \widetilde{A}=\{2,3,4,5,6,8,9,10,12,16\} A = { 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 9 , 10 , 12 , 16 } 으로 n ( A ~ ) = 10 \displaystyle n(\widetilde{A})=10 n ( A ) = 10 이다.
+7점 · (b) n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 의 최댓값을 찾고 명확하게 증명하면 (b) A \displaystyle A A 의 두 원소의 합이 모두 다를 때 A ~ \displaystyle \widetilde{A} A 는 가장 많은 원소를 갖는다. 예를 들어, A = { 1 , 2 , 2 2 , ⋯ , 2 k − 1 } \displaystyle A=\{1,2,2^2,\cdots,2^{k-1}\} A = { 1 , 2 , 2 2 , ⋯ , 2 k − 1 } 이면 A \displaystyle A A 의 두 원소의 합은 모두 다르고 이때 n ( A ~ ) = k 2 + k 2 \displaystyle n(\widetilde{A})=\frac{k^2+k}{2} n ( A ) = 2 k 2 + k 이다. 그러므로 n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 가 될 수 있는 값 중 가장 큰 값은 k 2 + k 2 \displaystyle \frac{k^2+k}{2} 2 k 2 + k 이다.
+3점 · (a) 조건을 만족하는 집합 A \displaystyle A A 를 찾으면 (3-2) (a) A = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } \displaystyle A=\{1,2,3,4,5\} A = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } 이면 A ~ = { 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 } \displaystyle \widetilde{A}=\{2,3,4,5,6,7,8,9,10\} A = { 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 } 으로 n ( A ~ ) = 9 \displaystyle n(\widetilde{A})=9 n ( A ) = 9 이다.
+7점 · (b) n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 의 최솟값을 찾고 명확하게 증명하면 (b) A \displaystyle A A 의 원소를 a 1 < a 2 < ⋯ < a k \displaystyle a_1<a_2<\cdots<a_k a 1 < a 2 < ⋯ < a k 라 하자. 그러면 2 a 1 < a 1 + a 2 < 2 a 2 < a 2 + a 3 < ⋯ < a k − 2 + a k − 1 < 2 a k − 1 < a k − 1 + a k < 2 a k \displaystyle 2a_1<a_1+a_2<2a_2<a_2+a_3<\cdots<a_{k-2}+a_{k-1}<2a_{k-1}<a_{k-1}+a_k<2a_k 2 a 1 < a 1 + a 2 < 2 a 2 < a 2 + a 3 < ⋯ < a k − 2 + a k − 1 < 2 a k − 1 < a k − 1 + a k < 2 a k 이므로 A ~ \displaystyle \widetilde{A} A 는 적어도 2 k − 1 \displaystyle 2k-1 2 k − 1 개의 원소를 갖는다. 따라서 n ( A ~ ) ≥ 2 k − 1 \displaystyle n(\widetilde{A})\ge2k-1 n ( A ) ≥ 2 k − 1 이다. A = { 1 , 2 , ⋯ , k } \displaystyle A=\{1,2,\cdots,k\} A = { 1 , 2 , ⋯ , k } 일 때 A ~ = { 2 , 3 , ⋯ , 2 k } \displaystyle \widetilde{A}=\{2,3,\cdots,2k\} A = { 2 , 3 , ⋯ , 2 k } 로 n ( A ~ ) = 2 k − 1 \displaystyle n(\widetilde{A})=2k-1 n ( A ) = 2 k − 1 이다. 따라서 n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 가 될 수 있는 값 중 가장 작은 값은 2 k − 1 \displaystyle 2k-1 2 k − 1 이다.
(3-3) (3-1)(b)와 (3-2)(b)에서 n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 의 최댓값과 최솟값은 각각 k 2 + k 2 \displaystyle \frac{k^2+k}{2} 2 k 2 + k 와 2 k − 1 \displaystyle 2k-1 2 k − 1 임을 증명하였다. 이제 다음 명제를 증명하여 n ( A ~ ) \displaystyle n(\widetilde{A}) n ( A ) 의 값은 2 k − 1 \displaystyle 2k-1 2 k − 1 이상 k 2 + k 2 \displaystyle \frac{k^2+k}{2} 2 k 2 + k 이하의 모든 정수가 가능함을 보이자.
명제 : 임의의 자연수 2 k − 1 ≤ m ≤ k 2 + k 2 \displaystyle 2k-1\le m\le\frac{k^2+k}{2} 2 k − 1 ≤ m ≤ 2 k 2 + k 에 대하여 n ( A ) = k \displaystyle n(A)=k n ( A ) = k 이고 n ( A ~ ) = m \displaystyle n(\widetilde{A})=m n ( A ) = m 인 자연수로 구성된 집합 A \displaystyle A A 가 존재한다.
k \displaystyle k k 에 관한 수학적 귀납법으로 증명하자.k = 1 \displaystyle k=1 k = 1 일 때, 2 k − 1 = k 2 + k 2 = 1 \displaystyle 2k-1=\frac{k^2+k}{2}=1 2 k − 1 = 2 k 2 + k = 1 이고 A = { 1 } \displaystyle A=\{1\} A = { 1 } 이 조건을 만족하는 집합이다.k = 2 \displaystyle k=2 k = 2 일 때, 2 k − 1 = k 2 + k 2 = 3 \displaystyle 2k-1=\frac{k^2+k}{2}=3 2 k − 1 = 2 k 2 + k = 3 이고 A = { 1 , 2 } \displaystyle A=\{1,2\} A = { 1 , 2 } 가 조건을 만족하는 집합이다.k > 2 \displaystyle k>2 k > 2 라 하고, 위의 명제가 k − 1 \displaystyle k-1 k − 1 일 때 성립한다고 가정하자. 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 \displaystyle 2k-1\le m\le3k-4 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 인 경우와 3 k − 3 ≤ m ≤ k 2 + k 2 \displaystyle 3k-3\le m\le\frac{k^2+k}{2} 3 k − 3 ≤ m ≤ 2 k 2 + k 인 경우로 나눠서 A \displaystyle A A 의 존재성을 증명하자.
+7점 · 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 \displaystyle 2k-1\le m\le3k-4 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 인 모든 m \displaystyle m m 에 대하여 n ( A ~ ) = m \displaystyle n(\widetilde{A})=m n ( A ) = m 인 A \displaystyle A A 의 존재성을 증명하면 a) 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 \displaystyle 2k-1\le m\le3k-4 2 k − 1 ≤ m ≤ 3 k − 4 인 경우. A = { 1 , 2 , ⋯ , k − 1 , m − k + 1 } \displaystyle A=\{1,2,\cdots,k-1,m-k+1\} A = { 1 , 2 , ⋯ , k − 1 , m − k + 1 } 라 하자.이때, A ~ = { 2 , 3 , ⋯ , 2 k − 2 } ∪ { m − k + 2 , m − k + 3 , ⋯ , m } ∪ { 2 m − 2 k + 2 } \displaystyle \widetilde{A}=\{2,3,\cdots,2k-2\}\cup\{m-k+2,m-k+3,\cdots,m\}\cup\{2m-2k+2\} A = { 2 , 3 , ⋯ , 2 k − 2 } ∪ { m − k + 2 , m − k + 3 , ⋯ , m } ∪ { 2 m − 2 k + 2 } 인데 m − k + 2 ≤ 2 k − 2 \displaystyle m-k+2\le2k-2 m − k + 2 ≤ 2 k − 2 이고 m < 2 m − 2 k + 2 \displaystyle m<2m-2k+2 m < 2 m − 2 k + 2 이므로A ~ = { 2 , 3 , ⋯ , m − 1 , m , 2 m − 2 k + 2 } \displaystyle \widetilde{A}=\{2,3,\cdots,m-1,m,2m-2k+2\} A = { 2 , 3 , ⋯ , m − 1 , m , 2 m − 2 k + 2 } 로 n ( A ~ ) = ( m − 1 ) + 1 = m \displaystyle n(\widetilde{A})=(m-1)+1=m n ( A ) = ( m − 1 ) + 1 = m 이다.
+8점 · 3 k − 3 ≤ m ≤ k 2 + k 2 \displaystyle 3k-3\le m\le\frac{k^2+k}{2} 3 k − 3 ≤ m ≤ 2 k 2 + k 인 모든 m \displaystyle m m 에 대하여 n ( A ~ ) = m \displaystyle n(\widetilde{A})=m n ( A ) = m 인 A \displaystyle A A 의 존재성을 증명하면 b) 3 k − 3 ≤ m ≤ k 2 + k 2 \displaystyle 3k-3\le m\le\frac{k^2+k}{2} 3 k − 3 ≤ m ≤ 2 k 2 + k 인 경우. 2 ( k − 1 ) − 1 = 2 k − 3 ≤ m − k ≤ k 2 − k 2 = ( k − 1 ) 2 + ( k − 1 ) 2 \displaystyle 2(k-1)-1=2k-3\le m-k\le\frac{k^2-k}{2}=\frac{(k-1)^2+(k-1)}{2} 2 ( k − 1 ) − 1 = 2 k − 3 ≤ m − k ≤ 2 k 2 − k = 2 ( k − 1 ) 2 + ( k − 1 ) 이므로 수학적 귀납법에 의하여 n ( B ) = k − 1 \displaystyle n(B)=k-1 n ( B ) = k − 1 이고 n ( B ~ ) = m − k \displaystyle n(\widetilde{B})=m-k n ( B ) = m − k 인 집합 B \displaystyle B B 가 존재한다. B \displaystyle B B 에서 가장 큰 원소를 x \displaystyle x x 라 할 때 집합 A = B ∪ { 2 x + 1 } \displaystyle A=B\cup\{2x+1\} A = B ∪ { 2 x + 1 } 로 정의하자.그러면 A ~ = B ~ ∪ { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } ∪ { 4 x + 2 } \displaystyle \widetilde{A}=\widetilde{B}\cup\{2x+1+b\mid b\in B\}\cup\{4x+2\} A = B ∪ { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } ∪ { 4 x + 2 } 인데 B ~ \displaystyle \widetilde{B} B 의 가장 큰 원소는 2 x \displaystyle 2x 2 x 이고 { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } \displaystyle \{2x+1+b\mid b\in B\} { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } 의 각 원소는 2 x + 1 \displaystyle 2x+1 2 x + 1 이상 3 x + 1 \displaystyle 3x+1 3 x + 1 이하이므로 세 개의 집합 B ~ \displaystyle \widetilde{B} B , { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } \displaystyle \{2x+1+b\mid b\in B\} { 2 x + 1 + b ∣ b ∈ B } , { 2 x + 2 y + 2 } \displaystyle \{2x+2y+2\} { 2 x + 2 y + 2 } 는 서로소이다. Correction. 이 집합의 2 x + 2 y + 2 \displaystyle 2x+2y+2 2 x + 2 y + 2 는 4 x + 2 \displaystyle 4x+2 4 x + 2 의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 n ( A ~ ) = ( m − k ) + ( k − 1 ) + 1 = m \displaystyle n(\widetilde{A})=(m-k)+(k-1)+1=m n ( A ) = ( m − k ) + ( k − 1 ) + 1 = m 이다.
수학적 귀납법에 의하여 모든 자연수 k \displaystyle k k 에 대하여 위의 명제가 성립한다.