수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 두 점 A(x1,y1)\displaystyle (x_{1} , y_{1} ), B(x2,y2)\displaystyle (x_{2} , y_{2} )를 이은 선분 AB를 m:n\displaystyle m : n (m>0\displaystyle m >0, n>0\displaystyle n >0)으로 내분하는 점 P 의 좌표는

(mx2+nx1m+n,my2+ny1m+n)\displaystyle \left ( \frac{mx_{2} +nx_{1} }{m+n}, \frac{my_{2} +ny_{1} }{m+n} \right )

2. 명제 p→q\displaystyle p\to q에 대하여 ∼q→∼p\displaystyle \sim q\to\sim p를 대우라고 한다.

3. 함수f:X→Y\displaystyle f : X \to Y에서 정의역 X\displaystyle X의 임의의 두 원소 x1\displaystyle x_{1}, x2\displaystyle x_{2}에 대하여

x1≠x2\displaystyle x_{1} \ne x_{2}이면 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f(x_{1} ) \ne f(x_{2} )일 때, 함수 f\displaystyle f를 일대일함수라고 한다.

4. 두 사건 A\displaystyle A, B\displaystyle B가 동시에 일어나지 않을 때, 사건 A\displaystyle A와 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수가 각각 m\displaystyle m, n\displaystyle n이면 사건 A\displaystyle A 또는 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수는 m+n\displaystyle m+n

5. 사건 A\displaystyle A가 일어나는 경우의 수가 m\displaystyle m이고, 그 각각에 대하여 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수가 n\displaystyle n일 때, 두 사건 A\displaystyle A, B\displaystyle B 가 동시에 일어나는 경우의 수는 m×n\displaystyle m \times n

[1] 두 점 A(−1,−3)\displaystyle (-1, -3), B(5,3)\displaystyle (5, 3)에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 선분 AB를 m:(3−m)\displaystyle m : (3-m)으로 내분하는 점이 제 1사분면 위에 존재할 때, m\displaystyle m값의 범위를 구하시오. [5점]

(2) 원 (x−2)2+y2=1\displaystyle (x-2)^2+y^2=1 위의 점 C\displaystyle C에 대하여 AC‾2−BC‾2\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2의 값의 범위를 구하고 AC‾2−BC‾2\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2의 값이 최소가 되는 점 C\displaystyle C의 y\displaystyle y좌표를 구하시오. [8점]

[2] 다음 등식이 x\displaystyle x에 대한 항등식일 때 a4+a6+a8+a10\displaystyle a_{4} + a_{6} + a_{8} + a_{10}의 값을 구하시오. [8점]

x10−1=∑k=010ak(x−1)k\displaystyle x^{10}-1=\displaystyle\sum_{k=0}^{10}a_k(x-1)^k, (단, ak\displaystyle a_k (0≤k≤10\displaystyle 0\le k\le10)는 상수)

[3] 자연수 n\displaystyle n에 대하여 집합 An\displaystyle A_n이 An={k∣1≤k≤n, k는 자연수}\displaystyle A_n=\{k\mid1\le k\le n,~k\text{는 자연수}\}이다. 다음 조건 p\displaystyle p를 만족시키는 함수의 개수를 an\displaystyle a_n이라고 할 때, 다음 물음에 답하시오.

p:An\displaystyle p : A_n에서 An\displaystyle A_n으로의 함수 f\displaystyle f에 대하여 합성함수 f∘f\displaystyle f \circ f가 집합 An\displaystyle A_n에서의 항등함수이다.

(1) n=1\displaystyle n=1, 2\displaystyle 2 각각에 대하여 조건 p\displaystyle p를 만족시키는 함수를 모두 찾고 a1\displaystyle a_{1}, a2\displaystyle a_{2}를 구하시오. [5점]

(2) 조건 p\displaystyle p를 만족시키는 함수 f\displaystyle f는 일대일함수임을 증명하시오. [10점]

(3) (2)를 이용하여 a3,a4\displaystyle a_3,a_4를 구하시오. [6점]

(4) (3)을 이용하여 an,an−1,an−2\displaystyle a_n,a_{n-1},a_{n-2} 사이의 관계식을 구하시오. (단, n≥3\displaystyle n\ge3) [8점]

해설강의 준비중
+3점 · 내분점의 좌표 (2m−1,2m−3)\displaystyle (2m-1,2m-3)를 구했으면

[1] (1) 선분 AB\displaystyle AB를 m:(3−m)\displaystyle m:(3-m)으로 내분하는 점의 좌표는 (5m−(3−m)m+(3−m),3m−3(3−m)m+(3−m))=(2m−1,2m−3)\displaystyle \left(\dfrac{5m-(3-m)}{m+(3-m)},\dfrac{3m-3(3-m)}{m+(3-m)}\right)=(2m-1,2m-3)

+2점 · m\displaystyle m의 범위를 올바로 구했으면

이 점이 제 1사분면 위에 존재하므로 2m−1>0, 2m−3>0\displaystyle 2m-1>0,~2m-3>0

또한 내분하는 점의 정의에 의해 m:3−m\displaystyle m:3-m으로부터 m>0, 3−m>0\displaystyle m>0,~3-m>0

이 부등식들을 동시에 만족시키는 m\displaystyle m의 값의 범위는 23<m<3\displaystyle \dfrac23<m<3Correction. 내분점 (2m−1,2m−3)\displaystyle (2m-1,2m-3)이 제1사분면에 있으려면 2m−1>0\displaystyle 2m-1>0과 2m−3>0\displaystyle 2m-3>0을 함께 만족해야 한다. 내분 조건 0<m<3\displaystyle 0<m<3과 합치면 올바른 범위는 32<m<3\displaystyle \frac32<m<3이다. 대학 답안의 하한 23\displaystyle \frac23은 32\displaystyle \frac32의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+2점 · AC‾2−BC‾2=12x−24+12y\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2=12x-24+12y를 올바로 계산했으면

(2) 점 C\displaystyle C의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)로 놓으면

AC‾2−BC‾2=(x+1)2+(y+3)2−(x−5)2−(y−3)2=12x−24+12y\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2=(x+1)^2+(y+3)^2-(x-5)^2-(y-3)^2=12x-24+12y

+2점 · 이차방정식 2y2−2ky+k2−1=0\displaystyle 2y^2-2ky+k^2-1=0을 올바로 유도했으면

12x−24+12y=12k\displaystyle 12x-24+12y=12k라 하면

x−2+y=k\displaystyle x-2+y=k ⋯\displaystyle \cdots①

점 C\displaystyle C는 원

(x−2)2+y2=1\displaystyle (x-2)^2+y^2=1 ⋯\displaystyle \cdots②

위의 점이므로 ①,②에서 x\displaystyle x를 소거하면 2y2−2ky+k2−1=0\displaystyle 2y^2-2ky+k^2-1=0

+2점 · 판별식을 이용하여 −2≤k≤2\displaystyle -\sqrt2\le k\le\sqrt2를 유도했으면

이차방정식

2y2−2ky+k2−1=0\displaystyle 2y^2-2ky+k^2-1=0 ⋯\displaystyle \cdots③

의 판별식 D\displaystyle D가 D≥0\displaystyle D\ge0이어야 하므로

D4=k2−2(k2−1)=−k2+2≥0\displaystyle \dfrac D4=k^2-2(k^2-1)=-k^2+2\ge0이고 −2≤k≤2\displaystyle -\sqrt2\le k\le\sqrt2

따라서 AC‾2−BC‾2=12k\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2=12k의 범위는 −122≤AC‾2−BC‾2≤122\displaystyle -12\sqrt2\le\overline{AC}^2-\overline{BC}^2\le12\sqrt2

+2점 · y=−22\displaystyle y=-\dfrac{\sqrt2}2를 구했으면

AC‾2−BC‾2=12k\displaystyle \overline{AC}^2-\overline{BC}^2=12k의 최솟값은 k=−2\displaystyle k=-\sqrt2일 때 −122\displaystyle -12\sqrt2

k=−2\displaystyle k=-\sqrt2를 ③에 대입하면 (2y+1)2=0\displaystyle (\sqrt2y+1)^2=0이므로 y=−22\displaystyle y=-\dfrac{\sqrt2}2

+2점 · 210−1=∑k=010ak\displaystyle 2^{10}-1=\displaystyle\sum_{k=0}^{10}a_k와 −1=∑k=010(−1)kak\displaystyle -1=\displaystyle\sum_{k=0}^{10}(-1)^ka_k를 구했으면

[2] x=2\displaystyle x=2를 대입하면 210−1=∑k=010ak\displaystyle 2^{10}-1=\displaystyle\sum_{k=0}^{10}a_k ⋯\displaystyle \cdots①

x=0\displaystyle x=0을 대입하면 −1=∑k=010(−1)kak\displaystyle -1=\displaystyle\sum_{k=0}^{10}(-1)^ka_k ⋯\displaystyle \cdots②

+2점 · ∑k=05a2k=29−1\displaystyle\sum_{k=0}^5a_{2k}=2^9-1과 a0=0\displaystyle a_0=0을 구했으면

①,②를 더하고 2로 나누면 ∑k=05a2k=29−1\displaystyle\sum_{k=0}^5a_{2k}=2^9-1 ⋯\displaystyle \cdots③

x=1\displaystyle x=1을 대입하면 a0=0\displaystyle a_0=0 ⋯\displaystyle \cdots④

+4점 · a2=45\displaystyle a_2=45과 a4+a6+a8+a10=29−1−45=466\displaystyle a_4+a_6+a_8+a_{10}=2^9-1-45=466을 구했으면

f(x)=x10−1\displaystyle f(x)=x^{10}-1이라 하면 f′′(1)=90=2a2\displaystyle f^{\prime\prime}(1)=90=2a_2이므로 a2=45\displaystyle a_2=45 ⋯\displaystyle \cdots⑤

③,④,⑤에 의해 a4+a6+a8+a10=29−1−45=466\displaystyle a_4+a_6+a_8+a_{10}=2^9-1-45=466

+2점 · n=1\displaystyle n=1일 때 f\displaystyle f를 모두 구하고 a1=1\displaystyle a_1=1을 구했으면

[3] (1) n=1\displaystyle n=1일 때, f(1)=1\displaystyle f(1)=1이면 f∘f\displaystyle f\circ f는 A1={1}\displaystyle A_1=\{1\}에서의 항등함수이다. 그러므로 a1=1\displaystyle a_1=1

+3점 · n=2\displaystyle n=2일 때 f\displaystyle f를 모두 구하고 a2=2\displaystyle a_2=2를 구했으면

n=2\displaystyle n=2일 때, 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수는 f(1)=1,f(2)=2\displaystyle f(1)=1,f(2)=2인 경우와 f(1)=2,f(2)=1\displaystyle f(1)=2,f(2)=1인 경우뿐이다. 그러므로 a2=2\displaystyle a_2=2

+3점 · 대우명제를 올바로 기술했으면

(2) 일대일함수의 정의에서 조건 p\displaystyle p를 x1≠x2\displaystyle x_1\ne x_2, 조건 q\displaystyle q를 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f(x_1)\ne f(x_2)라고 명제 p→q\displaystyle p\to q의 대우는

f(x1)=f(x2)\displaystyle f(x_1)=f(x_2)이면 x1=x2\displaystyle x_1=x_2

+2점 · f(x1)=f(x2)\displaystyle f(x_1)=f(x_2)라고 가정했으면

이제 정의역 An\displaystyle A_n의 임의의 두 원소 x1,x2\displaystyle x_1,x_2에 대하여 f(x1)=f(x2)\displaystyle f(x_1)=f(x_2)라고 하면

+3점 · f(f(x1))=f(f(x2))\displaystyle f(f(x_1))=f(f(x_2))를 적용했으면

f(f(x1))=f(f(x2))\displaystyle f(f(x_1))=f(f(x_2))이고

+2점 · f∘f\displaystyle f\circ f는 항등함수임을 이용하여 x1=x2\displaystyle x_1=x_2를 보였으면

f∘f\displaystyle f\circ f는 항등함수이므로 x1=x2\displaystyle x_1=x_2. 따라서 조건 p\displaystyle p를 만족시키는 함수 f\displaystyle f는 일대일함수이다.

+2점 · f\displaystyle f는 일대일대응임을 기술하고 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}를 보였으면

(3) f\displaystyle f는 An\displaystyle A_n에서 An\displaystyle A_n으로의 일대일함수이므로 일대일대응이고 역함수가 존재한다.

f∘f=I\displaystyle f\circ f=I (는 항등함수)로부터 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}

+2점 · a3=a2+2a1=4\displaystyle a_3=a_2+2a_1=4를 구했으면

n=3\displaystyle n=3일 때, f(1)=1\displaystyle f(1)=1이면서 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a2\displaystyle a_2

f(1)=2\displaystyle f(1)=2이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(2)=1\displaystyle f(2)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a1\displaystyle a_1

f(1)=3\displaystyle f(1)=3이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(3)=1\displaystyle f(3)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a1\displaystyle a_1

따라서 a3=a2+2a1=4\displaystyle a_3=a_2+2a_1=4

+2점 · a4=a3+3a2=10\displaystyle a_4=a_3+3a_2=10을 구했으면

n=4\displaystyle n=4일 때, f(1)=1\displaystyle f(1)=1이면서 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a3\displaystyle a_3

f(1)=2\displaystyle f(1)=2이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(2)=1\displaystyle f(2)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a2\displaystyle a_2

f(1)=3\displaystyle f(1)=3이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(3)=1\displaystyle f(3)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a2\displaystyle a_2

f(1)=4\displaystyle f(1)=4이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(4)=1\displaystyle f(4)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 a2\displaystyle a_2

따라서 a4=a3+3a2=10\displaystyle a_4=a_3+3a_2=10

+3점 · f(1)=1\displaystyle f(1)=1이면 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 an−1\displaystyle a_{n-1}임을 보이면

(4) n≥3\displaystyle n\ge3일 때 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이면 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 an−1\displaystyle a_{n-1}

+3점 · f(1)=k\displaystyle f(1)=k이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(k)=1\displaystyle f(k)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 ak−2\displaystyle a_{k-2}임을 보이면

Correction. 남은 원소가 n−2\displaystyle n-2개이므로, 채점표의 ak−2\displaystyle a_{k-2}는 an−2\displaystyle a_{n-2}의 첨자 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

f(1)=2\displaystyle f(1)=2이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(2)=1\displaystyle f(2)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 an−2\displaystyle a_{n-2}

f(1)=3\displaystyle f(1)=3이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(3)=1\displaystyle f(3)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 an−2\displaystyle a_{n-2}

⋯

f(1)=n\displaystyle f(1)=n이면 f=f−1\displaystyle f=f^{-1}로부터 f(n)=1\displaystyle f(n)=1이어야 하므로 조건 p\displaystyle p를 만족하는 함수의 개수는 an−2\displaystyle a_{n-2}

+2점 · an=an−1+(n−1)an−2\displaystyle a_n=a_{n-1}+(n-1)a_{n-2}임을 보이면

따라서 an=an−1+(n−1)an−2\displaystyle a_n=a_{n-1}+(n-1)a_{n-2}

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