수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+2점 · 9개의 서로 다른 문자를 배열하는 경우의 수 9P9=9!\displaystyle {}_{9} \mathrm P _{9} =9!를 찾으면

[1] (1) 9\displaystyle 9개의 서로 다른 문자를 배열하는 경우의 수는 9P9=9!\displaystyle { }_{9} \mathrm P_{9}=9!이다.

+3점 · 같은 문자끼리 자리를 바꾸는 것은 동일한 문자열로 간주하여 나누어주면

W, N, O가 2\displaystyle 2개씩 있어서 같은 문자끼리 자리를 바꾸는 것은 동일한 문자열로 간주되기 때문에 이들 문자 각각에 의해 만들어지는 배열의 경우의 수인 2P2=2!\displaystyle {}_{2} \mathrm P _{2} =2!로 나누어주어야 한다.

따라서 2\displaystyle 2개씩 같은 문자 3\displaystyle 3개를 포함하는 9\displaystyle 9개의 문자를 배열하여 만들어지는 문자열에 대한 경우의 수는 9P92P2×2P2×2P2=9!2!×2!×2!=9×8×7×6×5×4×3×2×12×2×2=45,360\displaystyle \frac{{}_{9} \mathrm P _{9}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{9!}{2! \times 2! \times 2!} = \frac{9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1}{2 \times 2 \times 2} =45,360이다.

+2점 · K\squareG\displaystyle \mathrm{K}\square\square\squareGG\squareK\displaystyle \mathrm{G}\square\square\squareK 배열의 문자열이 있는 경우를 파악하면

(2) K와 G 사이에 3\displaystyle 3개의 문자가 있는 경우는 KG\displaystyle \mathrm{K} \square \square \square \mathrm{G}GK\displaystyle \mathrm{G} \square \square \square \mathrm{K} 배열의 문자열이 있는 경우이고, 각 경우의 수는 동일하다.

+2점 · 서로 다른 문자를 배열하는 경우의 수 7P3\displaystyle {}_{7} \mathrm P _{3}를 찾으면

( i ) KG\displaystyle \mathrm{K} \square \square \square \mathrm{G}인 경우 W, W, N, N, O, O, A를 서로 다른 문자라고 생각하고, 그 중에서 3\displaystyle 3개를 선택하여 K와 G 사이에 배치하는 경우의 수는 7P3=7!(73)!=210\displaystyle { }_{7} \mathrm P_{3}=\frac{7!}{(7-3)!}=210이다.

+2점 · K\squareG\displaystyle \mathrm{K}\square\square\squareG을 하나의 문자라고 생각하고 경우의 수 5P5\displaystyle {}_{5} \mathrm P _{5}를 찾으면

그 다음에 KG\displaystyle \mathrm{K} \square \square \square \mathrm{G}을 하나의 문자라고 생각하고, 나머지 4\displaystyle 4개의 문자와 합쳐 총 5(=1+4)\displaystyle 5(=1+4)개의 문자를 배열하는 경우의 수는 5P5=5!=120\displaystyle { }_{5} \mathrm P_{5}=5! =120이다.

+2점 · 같은 문자끼리 자리를 바꾸는 것은 동일한 문자열로 간주하여 나누어주면

그런데, W, W, N, N, O, O, A는 서로 다른 문자가 아니고, W, N, O가 각각 2\displaystyle 2개씩 있다.

따라서, 앞에서 구한 결과에서 같은 문자끼리 자리를 바꾸는 것은 동일한 문자열로 간주되기 때문에 2P2=2!=2\displaystyle { }_{2} \mathrm P_{2}=2! =2로 나누어주어야 한다.

그러므로, 구하고자 하는 경우의 수는 7P3×5P52P2×2P2×2P2=210×1202!×2!×2!=3,150\displaystyle \frac{{}_{7} \mathrm P _{3} \times _{5} \mathrm P _{5}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{210 \times 120}{2! \times 2! \times 2!} =3,150이다.

( ii ) GK\displaystyle \mathrm{G} \square \square \square \mathrm{K}인 경우도 같은 방법으로 경우의 수는 3,150\displaystyle 3,150이다.

그러므로, K와 G 사이에 3\displaystyle 3개의 문자가 있는 경우의 수는 6,300(=2×3,150)\displaystyle 6,300(=2 \times 3,150)이다.

+1점 · KWANGWOON\displaystyle \mathrm{KWANGWOON}의 문자를 알파벳순으로 나열하면

(3) KWANGWOON의 문자를 알파벳순으로 나열하면 A, G, K, N, N, O, O, W\displaystyle A,~G,~K,~N,~N,~O,~O,~W, W와 같다.

+1점 · A\displaystyle \mathrm{A}로 시작하는 문자열의 총 개수 5,040\displaystyle 5,040를 찾으면

A 로 시작하는 문자열의 총 개수: 8P82P2×2P2×2P2=8!2!×2!×2!=5,040\displaystyle \frac{{}_{8} \mathrm P _{8}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{8!}{2! \times 2! \times 2!} =5,040

+1점 · G\displaystyle \mathrm{G}로 시작하는 문자열의 총 개수 5,040\displaystyle 5,040를 찾으면

G 로 시작하는 문자열의 총 개수: 8P82P2×2P2×2P2=8!2!×2!×2!=5,040\displaystyle \frac{{}_{8} \mathrm P _{8}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{8!}{2! \times 2! \times 2!} =5,040

+1점 · KA\displaystyle \mathrm{KA}로 시작하는 문자열의 총 개수 630\displaystyle 630을 찾으면

KA 로 시작하는 문자열의 총 개수: 7P72P2×2P2×2P2=7!2!×2!×2!=630\displaystyle \frac{{ }_{7} \mathrm P_{7}}{{ }_{2} \mathrm P_{2} \times { }_{2} \mathrm P_{2} \times { }_{2} \mathrm P_{2}}=\frac{7!}{2!\times 2!\times 2!}=630

+1점 · KG\displaystyle \mathrm{KG}로 시작하는 문자열의 총 개수 630\displaystyle 630을 찾으면

KG 로 시작하는 문자열의 총 개수: 7P72P2×2P2×2P2=7!2!×2!×2!=630\displaystyle \frac{{ }_{7} \mathrm P_{7}}{{ }_{2} \mathrm P_{2} \times { }_{2} \mathrm P_{2} \times { }_{2} \mathrm P_{2}}=\frac{7!}{2!\times 2!\times 2!}=630

+1점 · KN\displaystyle \mathrm{KN}로 시작하는 문자열의 총 개수 1,260\displaystyle 1,260을 찾으면

KN 로 시작하는 문자열의 총 개수: 7P72P2×2P2=7!2!×2!=1,260\displaystyle \frac{{}_{7} \mathrm P _{7}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{7!}{2! \times 2!} =1,260

+1점 · KO\displaystyle \mathrm{KO}로 시작하는 문자열의 총 개수 1,260\displaystyle 1,260을 찾으면

KO로 시작하는 문자열의 총 개수: 7P72P2×2P2=7!2!×2!=1,260\displaystyle \frac{{}_{7} \mathrm P _{7}}{{}_{2} \mathrm P _{2} \times _{2} \mathrm P _{2}} = \frac{7!}{2! \times 2!} =1,260

+1점 · KWAG\displaystyle \mathrm{KWAG}로 시작하는 문자열의 총 개수 30\displaystyle 30을 찾으면

KWAG로 시작하는 문자열의 총 개수: 5P52P2×2P2=5!2!×2!=30\displaystyle \frac{{ }_{5} \mathrm P_{5}}{{ }_{2} \mathrm P_{2} \times { }_{2} \mathrm P_{2}}=\frac{5!}{2!\times 2!}=30

+1점 · KWANGN\displaystyle \mathrm{KWANGN}로 시작하는 문자열의 총 개수 3\displaystyle 3을 찾으면

KWANGN로 시작하는 문자열의 총 개수: 3P32P2=3!2!=3\displaystyle \frac{{ }_{3} \mathrm P_{3}}{{ }_{2} \mathrm P_{2}}=\frac{3!}{2!}=3

+1점 · KWANGO\displaystyle \mathrm{KWANGO}로 시작하는 문자열의 총 개수 6\displaystyle 6을 찾으면

KWANGO로 시작하는 문자열의 총 개수: 3P3=3!=6\displaystyle { }_{3} \mathrm P_{3}=3! =6

+1점 · KWANGWN\displaystyle \mathrm{KWANGWN}로 시작하는 문자열의 총 개수 1\displaystyle 1을 찾으면

KWANGWN로 시작하는 문자열의 총 개수: 2P22P2=2!2!=1\displaystyle \frac{{ }_{2} \mathrm P_{2}}{{ }_{2} \mathrm P_{2}}=\frac{2!}{2!}=1

+1점 · KWANGWON\displaystyle \mathrm{KWANGWON}로 시작하는 문자열의 총 개수 1\displaystyle 1을 찾으면

KWANGWON로 시작하는 문자열의 총 개수: 1P1=1!=1\displaystyle { }_{1} \mathrm P_{1}=1! =1

KWANGWOON의 순서 =5040×2+630×2+1260×2+30+3+6+1+1+1=(5040+630+1260)×2+42=13902\displaystyle =5040 \times 2+630 \times 2+1260 \times 2+30+3+6+1+1+1=(5040+630+1260) \times 2+42 =13902

+3점 · an+bn=n\displaystyle a _{n} +b _{n} =n이고, anbn=n33n22n\displaystyle a _{n} b _{n} =-n ^{3} -3n ^{2} -2n임을 찾으면

[2] (1) 이차방정식 x2nxn33n22n=0\displaystyle x^{2}-n x-n^{3}-3 n^{2}-2 n=0의 근과 계수의 관계에 의하여

an+bn=n\displaystyle a_{n}+b_{n}=n이고, anbn=n33n22n\displaystyle a_{n} b_{n}=-n^{3}-3 n^{2}-2 n이다.

+3점 · an2+bn2=(an+bn)22anbn=2n3+7n2+4n\displaystyle a _{n}^{2} +b _{n}^{2} =(a _{n} +b _{n} ) ^{2} -2a _{n} b _{n} =2n ^{3} +7n ^{2} +4n로 정리하면

an2+bn2=(an+bn)22anbn=n22(n33n22n)=2n3+7n2+4n\displaystyle \begin{aligned}a_{n}^{2}+b_{n}^{2} & = \left (a_{n}+b_{n} \right )^{2}-2 a_{n} b_{n} \\ & =n^{2}-2 \left (-n^{3}-3 n^{2}-2 n \right ) \\ & =2 n^{3}+7 n^{2}+4 n\end{aligned}

+4점 · n=15n3\displaystyle \sum _{n=1} ^{5} n ^{3}, n=15n2\displaystyle \sum _{n=1} ^{5} n ^{2}, n=15n\displaystyle \sum _{n=1} ^{5} n을 구하여 n=15(an2+bn2)=895\displaystyle \sum _{n=1} ^{5} (a _{n}^{2} +b _{n}^{2} )=895를 찾으면

n=15(an2+bn2)=n=15(2n3+7n2+4n)=2n=15n3+7n=15n2+4n=15n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^5(a_n^2+b_n^2)&=\sum_{n=1}^5(2n^3+7n^2+4n)\\&=2\sum_{n=1}^5n^3+7\sum_{n=1}^5n^2+4\sum_{n=1}^5n\end{aligned}

=2×{5(5+1)2}2+7×5(5+1)(2×5+1)6+4×5(5+1)2=450+385+60=895\displaystyle =2 \times \left\{\frac{5(5+1)}{2} \right\}^{2}+7 \times \frac{5(5+1)(2 \times 5+1)}{6}+4 \times \frac{5(5+1)}{2} =450+385+60=895

+4점 · 1an+1bn=an+bnanbn=1n+21n+1\displaystyle \frac{1}{a _{n}} + \frac{1}{b _{n}} = \frac{a _{n} +b _{n}}{a _{n} b _{n}} = \frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+1}로 정리하면

(2) 이차방정식 x2nxn33n22n=0\displaystyle x^{2}-n x-n^{3}-3 n^{2}-2 n=0의 근과 계수의 관계에 의하여

an+bn=n\displaystyle a _{n } +b _{n } =n이고, anbn=n33n22n\displaystyle a _{n} b _{n} =-n ^{3} -3n ^{2} -2n이다.

1an+1bn=an+bnanbn=nn33n22n=nn(n2+3n+2)=1(n+1)(n+2)\displaystyle \begin{aligned}\frac{1}{a _{n}} + \frac{1}{b _{n}} = \frac{a _{n} +b _{n}}{a _{n} b _{n}} = \frac{n}{-n ^{3} -3n ^{2} -2n} = \frac{n}{-n \left ( n ^{2} +3n+2 \right )} =- \frac{1}{(n+1)(n+2)}\\\end{aligned}

=(1n+11n+2)=1n+21n+1\displaystyle =- \left ( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} \right ) = \frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+1}

+3점 · (11+211+1)+(12+212+1)++(12024+212024+1)\displaystyle \left(\dfrac1{1+2}-\dfrac1{1+1}\right)+\left(\dfrac1{2+2}-\dfrac1{2+1}\right)+\cdots+\left(\dfrac1{2024+2}-\dfrac1{2024+1}\right)를 전개하면

n=12024(1an+1bn)=n=12024(1n+21n+1)=(11+211+1)+(12+212+1)++(12024+212024+1)\displaystyle \begin{aligned}\sum _{n=1} ^{2024} \left ( \frac{1}{a _{n}} + \frac{1}{b _{n}} \right ) = \sum _{n=1} ^{2024} \left ( \frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+1} \right ) = \left ( \frac{1}{1+2} - \frac{1}{1+1} \right ) + \left ( \frac{1}{2+2} - \frac{1}{2+1} \right ) + \cdots + \left ( \frac{1}{2024+2} - \frac{1}{2024+1} \right )\\\end{aligned}

+3점 · 항이 소거되어 n=12024(1an+1bn)=11+1+12024+2=5061013\displaystyle \sum _{n=1} ^{2024} \left ( \frac{1}{a _{n}} + \frac{1}{b _{n}} \right ) =- \frac{1}{1+1} + \frac{1}{2024+2} =- \frac{506}{1013}임을 보이면

=11+1+12024+2=1202612=110132026=10122026=5061013\displaystyle =- \frac{1}{1+1} + \frac{1}{2024+2} = \frac{1}{2026} - \frac{1}{2} = \frac{1-1013}{2026} =- \frac{1012}{2026}=- \frac{506}{1013}

+3점 · y=x2nxn33n22n=(xn2)2n3134n22n\displaystyle y=x ^{2} -nx-n ^{3} -3n ^{2} -2n= \left ( x- \frac{n}{2} \right ) ^{2} -n ^{3} - \frac{13}{4} n ^{2} -2n를 보이면

(3) y=x2nxn33n22n=x22×n2x+(n2)2(n2)2n33n22n\displaystyle \begin{aligned}y&=x^2-nx-n^3-3n^2-2n\\&=x^2-2\times\dfrac n2x+\left(\dfrac n2\right)^2-\left(\dfrac n2\right)^2-n^3-3n^2-2n\end{aligned}

=(xn2)214n2n3124n22n=(xn2)2n3134n22n\displaystyle = \left (x-\frac{n}{2} \right )^{2}-\frac{1}{4} n^{2}-n^{3}-\frac{12}{4} n^{2}-2 n = \left (x-\frac{n}{2} \right )^{2}-n^{3}-\frac{13}{4} n^{2}-2 n

+2점 · x=n2\displaystyle x= \frac{n}{2}일 때, 최솟값 n3134n22n\displaystyle -n ^{3} - \frac{13}{4} n ^{2} -2n을 가짐을 보이면

그러므로, x=n2\displaystyle x=\frac{n}{2}일 때, 최솟값은 n3134n22n\displaystyle -n^{3}-\frac{13}{4} n^{2}-2 n이다.

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