수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · [1]

[1] fGN4f(x)=f(x)2,(xN4)f(x)=0 또는 f(x)=1,(xN4)\displaystyle f \in G _{N _{4}} \Rightarrow f(x)=f(x) ^{2} , (x \in N _{4} ) \Rightarrow f(x)=0\text{ 또는 }f(x)=1 , ( x \in N _{4} )이다.

그런데 N4={0,1}\displaystyle N _{4} = \left\{ 0,1 \right\}이므로 fGN4\displaystyle f \in G _{N _{4}}는 다음과 같이 4가지 경우뿐이다.

f(0)=0,f(1)=0\displaystyle f(0)=0, f(1)=0f(0)=1,f(1)=1\displaystyle f(0)=1, f(1)=1f(0)=0,f(1)=1\displaystyle f(0)=0, f(1)=1f(0)=1,f(1)=0\displaystyle f(0)=1, f(1)=0

따라서 ①,②,③,④와 같이 정의된 함수를 각각 f1,f2,f3,f4\displaystyle f _{1} , f _{2} , f _{3} , f _{4}라 놓으면 GN4={f1,f2,f3,f4}\displaystyle G _{N _{4}} = \left\{ f _{1} ,f _{2} , f _{3} , f _{4} \right\}이다.

+5점 · [2]

[2] 집합 N1\displaystyle N _{1}에서 집합 N3\displaystyle N _{3}로의 일대일함수가 존재하려면 N3\displaystyle N _{3}에 속하는 원소의 개수가 N1\displaystyle N _{1}에 속하는 원소의 개수 이상이어야 한다. 그런데 집합 N1\displaystyle N _{1}에 속하는 원소의 개수는 무수히 많고 집합 N3\displaystyle N _{3}에 속하는 원소의 개수는 3\displaystyle 3이므로 N1\displaystyle N _{1}에서 N3\displaystyle N _{3}로의 일대일함수는 존재하지 않는다. 따라서 FN1,N3=\displaystyle F _{N _{1} ,N _{3}} = \varnothing 이다.

+5점 · [3]

[3] fGA2f(x)=f(x)2f(x)=0 또는 f(x)=1\displaystyle f \in G _{A _{2}} \Rightarrow f(x)=f(x) ^{2} \Rightarrow f(x)=0\text{ 또는 }f(x)=1이다. 그런데 집합 A2\displaystyle A _{2}에 속하는 원소의 개수는 3\displaystyle 3이상이므로 f\displaystyle f는 일대일함수가 아니다. 따라서 fFA2,N1\displaystyle f \notin F _{A _{2 } ,N _{1}}이므로 GA2FA2,N1=\displaystyle G _{A _{2}} \cap F _{A _{2 } ,N _{1}} = \varnothing 이다.

+15점 · [4]

[4] 등식이 성립하지 않는다.

(반례) f(x)=x3,g(x)=x,h(x)=x+1(xN1)\displaystyle f(x)=x ^{3} , g(x)=x, h(x)=x+1 ( x \in N _{1} )으로 정의하면 f,g,h\displaystyle f,g,h는 모두 일대일 함수이므로

f,g,hFN1,N1\displaystyle f, g, h \in F _{N _{1} ,N _{1}}이다.

(f(g+h))(x)=f((g+h)(x))=f(g(x)+h(x))=f(2x+1)=(2x+1)3\displaystyle (f \circ (g+h))(x)=f((g+h)(x))=f(g(x)+h(x))=f(2x+1)=(2x+1) ^{3}이고

((fg)+(fh))(x)=(fg)(x)+(fh)(x)=f(g(x))+f(h(x))=f(x)+f(x+1)=x3+(x+1)3\displaystyle ((f \circ g)+(f \circ h))(x)=(f \circ g)(x)+(f \circ h)(x)=f(g(x))+f(h(x))=f(x)+f(x+1)=x ^{3} +(x+1) ^{3}이다.

그런데 x0,x12,\displaystyle x \ne 0, x \ne - \frac{1}{2} , x1\displaystyle x \ne -1인 모든 x\displaystyle x에 대하여 (2x+1)3x3+(x+1)3\displaystyle (2x+1) ^{3} \ne x ^{3} +(x+1) ^{3}이다. 따라서

(f(g+h))(x)((fg)+(fh))(x)\displaystyle (f \circ (g+h))(x) \ne ((f \circ g)+(f \circ h))(x)이므로 f(g+h)fg+fh\displaystyle f \circ (g+h) \ne f \circ g+f \circ h이다.

+15점 · [5]

[5] (a11a12a21a22)A3\displaystyle \begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{pmatrix}\in A_3이라면 a11a22=a12a21\displaystyle a _{11} a _{22} =a _{12} a _{21}이고 a11,a12,a21,a22\displaystyle a _{11} , a _{12} , a _{21} , a _{22}N3\displaystyle N _{3}에 속하므로 a12=a11\displaystyle a _{12} =a _{11} 또는

a12=a22\displaystyle a _{12} =a _{22}이다. 만일 a12=a11\displaystyle a _{12} =a _{11}이라면 a21=a22\displaystyle a _{21} =a _{22}이고 만일 a12=a22\displaystyle a _{12} =a _{22}이라면 a21=a11\displaystyle a _{21} =a _{11}이다. 따라서 A3\displaystyle A _{3}에 속하는 원소는 다음과 같다.

(3333)\displaystyle \begin{pmatrix}3&3\\3&3\end{pmatrix}, (5555)\displaystyle \begin{pmatrix}5&5\\5&5\end{pmatrix}, (7777)\displaystyle \begin{pmatrix}7&7\\7&7\end{pmatrix}, (3355)\displaystyle \begin{pmatrix}3&3\\5&5\end{pmatrix}, (3377)\displaystyle \begin{pmatrix}3&3\\7&7\end{pmatrix}, (3535)\displaystyle \begin{pmatrix}3&5\\3&5\end{pmatrix}, (3737)\displaystyle \begin{pmatrix}3&7\\3&7\end{pmatrix}, (5533)\displaystyle \begin{pmatrix}5&5\\3&3\end{pmatrix}, (5577)\displaystyle \begin{pmatrix}5&5\\7&7\end{pmatrix}, (5353)\displaystyle \begin{pmatrix}5&3\\5&3\end{pmatrix}, (5757)\displaystyle \begin{pmatrix}5&7\\5&7\end{pmatrix}, (7733)\displaystyle \begin{pmatrix}7&7\\3&3\end{pmatrix}, (7755)\displaystyle \begin{pmatrix}7&7\\5&5\end{pmatrix}, (7373)\displaystyle \begin{pmatrix}7&3\\7&3\end{pmatrix}, (7575)\displaystyle \begin{pmatrix}7&5\\7&5\end{pmatrix}

그러므로 n=15\displaystyle n=15이다.

한편 rT\displaystyle r \in T이면 r2r=0\displaystyle r ^{2} -r=0이므로 r2=r\displaystyle r ^{2} =r이다. 그런데 모든 원소 rA3\displaystyle r \in A _{3}에 대하여 r2r\displaystyle r ^{2} \ne r이므로 집합 T\displaystyle T는 공집합이고 m\displaystyle m0\displaystyle 0이다. 즉, n+m=15\displaystyle n+m=15이다.

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