수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · 짝수 개의 원소를 가지는 부분집합의 개수

1-1. (10점) 제 집합 An\displaystyle A_{n}의 부분집합 중에서 짝수 개의 원소를 가지는 부분집합의 개수는nC0+nC2+nC4++nCk\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{0} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} +{}_{n}\mathrm{C}_{4} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{k} (단, k\displaystyle kn\displaystyle n보다 크지 않는 최대 짝수)

+3점 · 이항정리

이다. 제시문 [나]의 이항정리를 이용하여 (1+x)n\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n}을 전개하면(1+x)n=nC0+nC1x+nC2x2++nCrxr++nCnxn\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n} ={}_{n}\mathrm{C}_{0} +{}_{n}\mathrm{C}_{1} x +{}_{n}\mathrm{C}_{2} x^{2} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{r} x^{r} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{n} x^{n}

+4점 · 두 식을 항별로 더하기

이고, 양변에 x=1\displaystyle x = 1을 대입하면 2n=nC0+nC1+nC2++nCn\displaystyle 2^{n} ={}_{n}\mathrm{C}_{0} +{}_{n}\mathrm{C}_{1} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{n},또, 양변에 x=1\displaystyle x = - 1을 대입하면 0=nC0nC1+nC2+nCn(1)n\displaystyle 0 ={}_{n}\mathrm{C}_{0} -{}_{n}\mathrm{C}_{1} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} - \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{n} ( - 1 )^{n}.이 두식을 항별로 더하면, 2n=2nC0+2nC2+2nC4++2nCk\displaystyle 2^{n} = 2{}_{n}\mathrm{C}_{0} + 2{}_{n}\mathrm{C}_{2} + 2{}_{n}\mathrm{C}_{4} + \cdots + 2{}_{n}\mathrm{C}_{k} 이고,따라서 nC0+nC2+nC4++nCk=2n1\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{0} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} +{}_{n}\mathrm{C}_{4} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{k} = 2^{n - 1} 이다.그러므로 집합 An\displaystyle A_{n}의 부분집합 중에서 짝수 개의 원소를 가지는 부분집합의 개수는 2n1\displaystyle 2^{n - 1}이다.

+5점 · 원소를 포함하는 부분집합의 개수

1-2. (10점) 집합 A8\displaystyle A_{8}의 부분집합 중에서 원소의 개수가 3\displaystyle 3개인 부분집합의 개수는 8C3=56\displaystyle {}_{8}\mathrm{C}_{3} = 56이고, 이 56개의 부분집합(원소의 개수가 3개인 집합 A8\displaystyle A_{8}의 부분집합) 중에서A8\displaystyle A_{8}의 각 원소 j=1,2,,8\displaystyle j = 1 , 2 , \cdots , 8에 대하여, j\displaystyle j를 포함하면서 원소의 개수가 3인 부분집합은 j\displaystyle j를 제외한 나머지 원소들 중에서 2개를 택하여 만들 수 있으므로, 그러한 부분집합의 개수는 7C2=21\displaystyle {}_{7}\mathrm{C}_{2} = 21 이다.

+5점 · 원소들의 합

그러므로 i=1kS(Bi)=j=1821j=21(1+2++8)=756\displaystyle \sum_{i = 1}^{k} S \left( B_{i} \right) = \sum_{j = 1}^{8} 21 \cdot j = 21 \cdot ( 1 + 2 + \cdots + 8 ) = 756이다.

+5점 · 일반항

1-3. (10점) (1+x)n\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n}의 일반항은 nCrxr(0rn)\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{r} x^{r}( 0 \leq r \leq n )이고 (1+x)m\displaystyle \left( 1 + x \right)^{m}의 일반항은 mCsxs(0sm)\displaystyle {}_{m}\mathrm{C}_{s} x^{s}( 0 \leq s \leq m )이므로(1+x)n(1+x)m\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n} \left( 1 + x \right)^{m}의 일반항은 nCrxrmCsxs=nCrmCsxr+s\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{r} x^{r} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{s} x^{s} ={}_{n}\mathrm{C}_{r} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{s} x^{r + s} 이다.

+5점 · xk\displaystyle x^k의 계수

따라서 nC0mCk+nC1mCk1+nC2mCk2++nCkmC0\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{0} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k} +{}_{n}\mathrm{C}_{1} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 1} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 2} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{k} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{0}(1+x)n(1+x)m\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n} \left( 1 + x \right)^{m}의 전개식에서xk\displaystyle x^{k}의 계수의 합이다.항등식 (1+x)n(1+x)m=(1+x)n+m\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n} \left( 1 + x \right)^{m} = \left( 1 + x \right)^{n + m}이 성립하므로nC0mCk+nC1mCk1+nC2mCk2++nCkmC0\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{0} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k} +{}_{n}\mathrm{C}_{1} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 1} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 2} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{k} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{0}(1+x)n+m\displaystyle \left( 1 + x \right)^{n + m}의 전개식에서 xk\displaystyle x^{k}의 계수n+mCk\displaystyle {}_{n + m}\mathrm{C}_{k}와 같다.그러므로 nC0mCk+nC1mCk1+nC2mCk2++nCkmC0=n+mCk\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{0} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k} +{}_{n}\mathrm{C}_{1} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 1} +{}_{n}\mathrm{C}_{2} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{k - 2} + \cdots +{}_{n}\mathrm{C}_{k} \cdot{}_{m}\mathrm{C}_{0} ={}_{n + m}\mathrm{C}_{k}이다.

(모범답안과 다른 방법으로 논술한 합당한 답안도 모두 인정한다)

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