수리논술, 이게 다다.

의학계 3번

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문제

【문항 3】 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 서로 다른 n\displaystyle n개에서 순서를 생각하지 않고 r\displaystyle r(r≤n\displaystyle r \le n)개를 택할 때, 이것을 n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 조합이라고 하며, 이 조합의 수를 기호로 nCr\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{r}와 같이 나타낸다. 이 때, 조합의 수는nCr=n!r!×(n−r)!\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{r} = \frac{{n !}}{r ! \times ( n - r ) !}

(나) 자연수 n\displaystyle n을 자신보다 크지 않은 자연수 n1\displaystyle n_{1}, n2\displaystyle n_{2}, n3\displaystyle n_{3}, ⋯\displaystyle \cdots, nk\displaystyle n_{k}의 합으로n=n1+n2+n3+⋯+nk\displaystyle n = n_{1} + n_{2} + n_{3} + \cdots + n_{k} (n1≥n2≥n3≥⋯≥nk\displaystyle n_{1} \ge n_{2} \ge n_{3} \ge \cdots \ge n_{k})와 같이 나타내는 것을 자연수의 분할이라고 한다. (단, 1≤k≤n\displaystyle 1 \le k \le n)

(다) 원소가 유한개인 집합을 공집합이 아닌 몇 개의 서로소인 부분집합의 합집합으로 나타내는 것을 집합의 분할이라고 한다. 예를 들면, 원소가 4\displaystyle 4개인 집합을 공집합이 아닌 2\displaystyle 2개의 서로소인 부분집합으로 분할하는 방법의 수는 7\displaystyle 7이다.

1\displaystyle 1부터 n\displaystyle n까지의 자연수가 각각 하나씩 적힌 n\displaystyle n장의 카드가 주머니에 들어 있다. 한 번에 1\displaystyle 1장에서 n\displaystyle n장까지 카드를 반복해서 꺼내려고 한다. 주머니에 남은 카드가 없도록 n\displaystyle n장의 카드를 모두 꺼내는 방법의 수를 생각해보자. 예를 들면, n=3\displaystyle n = 3일 때 꺼내는 방법의 수는 13\displaystyle 13이다.

[3-1] 다음과 같은 시행을 통해 주머니 속에 있는 모든 카드를 꺼낸다.

i\displaystyle i번째 꺼낸 카드의 개수가 m\displaystyle m이면 (i+1)\displaystyle ( i + 1 )번째 꺼내는 카드의 개수는 m2\displaystyle \frac{m}{2} 이하이다.

이와 같은 과정을 통해 10\displaystyle 10장의 카드를 모두 꺼내는 방법의 수를 구하시오. (10점)

[3-2] n\displaystyle n장의 카드를 k\displaystyle k(k≤n\displaystyle k \le n)번 시행하여 모두 꺼낼 때, 첫 번째, 두 번째, ⋯\displaystyle \cdots, k\displaystyle k번째 꺼내는 카드의 개수를 각각 n1\displaystyle n_{1}, n2\displaystyle n_{2}, ⋯\displaystyle \cdots, nk\displaystyle n_{k}라 하고M(n)=n1×n2×⋯×nk\displaystyle M ( n ) = n_{1} \times n_{2} \times \cdots \times n_{k}라 정의하자.

(1) M(40)\displaystyle M ( 40 )의 최댓값을 구하시오. (20점)

(2) (1)의 결과에서 카드를 꺼내는 방법의 수가 pq×40!613\displaystyle \frac{{p}}{q} \times \frac{{40 !}}{6^{13}}일 때, p+q\displaystyle p + q의 값을 구하시오. (단, p\displaystyle p, q\displaystyle q는 서로소인 자연수) (10점)

해설강의 준비중

[3-1]

X\displaystyle X를 주머니 속에 있는 카드를 꺼낸 횟수라 하면

(ⅰ) X=1\displaystyle X = 1일 때, 10\displaystyle 10장의 카드를 한 번에 모두 꺼내야 하므로 구하는 경우의 수는 1\displaystyle 1(가지)이다.

+4점 · X=2\displaystyle X=2일 때, 카드를 꺼내는 방법의 수를 구할 수 있다.

(ⅱ) X=2\displaystyle X = 2일 때,10\displaystyle 10을 2\displaystyle 2개의 자연수로 분할한 것 중 만족하는 경우는 10=7+3=8+2=9+1\displaystyle 10 = 7 + 3 = 8 + 2 = 9 + 1이다.따라서 구하는 경우의 수는10C7×3C3+10C8×2C2+10C9×1C1=120+45+10=175\displaystyle {}_{10}\mathrm{C}_{7}\times{}_{3}\mathrm{C}_{3}+{}_{10}\mathrm{C}_{8}\times{}_{2}\mathrm{C}_{2}+{}_{10}\mathrm{C}_{9}\times{}_{1}\mathrm{C}_{1}=120+45+10=175(가지)

+4점 · X=3\displaystyle X=3일 때, 카드를 꺼내는 방법의 수를 구할 수 있다.

(ⅲ) X=3\displaystyle X = 3일 때,10\displaystyle 10을 3\displaystyle 3개의 자연수로 분할한 것 중 만족하는 경우는 10=7+2+1=6+3+1\displaystyle 10 = 7 + 2 + 1 = 6 + 3 + 1이다.따라서 구하는 경우의 수는10C7×3C2×1C1+10C6×4C3×1C1=360+840=1200\displaystyle {}_{10}\mathrm{C}_{7}\times{}_{3}\mathrm{C}_{2}\times{}_{1}\mathrm{C}_{1}+{}_{10}\mathrm{C}_{6}\times{}_{4}\mathrm{C}_{3}\times{}_{1}\mathrm{C}_{1}=360+840=1200(가지)

+2점 · X≥4\displaystyle X\ge4일 때, 카드를 꺼내는 방법의 수를 구할 수 있다.

(ⅳ) X≥4\displaystyle X \ge 4이면 만족하는 자연수 분할이 존재하지 않는다.그러므로 주어진 조건을 만족하는 개수는 1+175+1200=1376\displaystyle 1 + 175 + 1200 = 1376(가지)이다.

[3-2]

i=1,2,⋯ ,k\displaystyle i = 1 , 2 , \cdots , k에 대하여 ni≥1\displaystyle n_{i} \ge 1이므로 다음과 같이 경우를 나누자.

+2점 · ni\displaystyle n_i 중 적어도 하나가 1일 때, M(n)\displaystyle M(n)이 최댓값을 가지는 조건을 구할 수 있다.

(ⅰ) ni\displaystyle n_{i} 중 적어도 하나가 1\displaystyle 1일 때,일반성을 잃지 않고 nk=1\displaystyle n_{k} = 1라 가정하면n=n1+n2+⋯+nk−1+1⏟k개=n1+n2+⋯+(nk−1+1)⏟(k−1)개\displaystyle n=\underbrace{n_1+n_2+\cdots+n_{k-1}+1}_{k\text{개}}=\underbrace{n_1+n_2+\cdots+(n_{k-1}+1)}_{(k-1)\text{개}}이다. 이 때,n1×n2×⋯×(nk−1+1)−n1×n2×⋯×nk−1×1=n1×n2×⋯×nk−1>0\displaystyle n_1\times n_2\times\cdots\times(n_{k-1}+1)-n_1\times n_2\times\cdots\times n_{k-1}\times1=n_1\times n_2\times\cdots\times n_{k-1}>0이므로 M(n)\displaystyle M ( n )이 최댓값을 가지려면 ni\displaystyle n_{i}는 2\displaystyle 2이상이다.

+10점 · ni\displaystyle n_i가 홀수인 소수일 때의 경우를 나누어 구할 수 있다.

(ⅱ) ni\displaystyle n_{i}가 홀수인 소수일 때,㉠ ni=3\displaystyle n_{i} = 3이면 3=2+1\displaystyle 3 = 2 + 1이고 3>2×1\displaystyle 3 > 2 \times 1이므로 3\displaystyle 3은 그대로 사용한다.㉡ ni>3\displaystyle n_{i} > 3인 홀수인 소수이면2\displaystyle 2이상인 두 자연수 m1\displaystyle m_{1}, m2\displaystyle m_{2}에 대하여 ni=m1+m2\displaystyle n_{i} = m_{1} + m_{2}로 나타낼 수 있다.m1×m2=m1(ni−m1)=−m12+nim1=−(m1−ni2)2+ni24\displaystyle m_{1} \times m_{2} = m_{1} ( n_{i} - m_{1} ) = - m_{1}^{2} + n_{i} m_{1}= - \left( m_{1} - \frac{n_{i}}{2} \right)^{2} + \frac{{n_{i}^{2}}}{4}m1=ni2\displaystyle m_{1} = \frac{n_{i}}{2}에서 m1×m2\displaystyle m_{1} \times m_{2}의 곱이 최대를 가진다. 하지만 ni\displaystyle n_{i}가 홀수이므로 두 수 m1\displaystyle m_{1}, m2\displaystyle m_{2}의 곱이 최대가 되는 경우는 ni2\displaystyle \frac{{n_{i}}}{2}에 가까운 두 자연수일 때, 즉ni=ni−12+ni+12\displaystyle n_{i} = \frac{{n_{i} - 1}}{2} + \frac{{n_{i} + 1}}{2}이고 ni≤ni−12×ni+12\displaystyle n_{i} \leq \frac{{n_{i} - 1}}{2} \times \frac{{n_{i} + 1}}{2}를 만족하는 ni\displaystyle n_{i}의 범위를 구하면ni≥2+5=4.×××\displaystyle n_{i} \geq 2 + \sqrt{5} = 4 . \times \times \times그러므로 ni\displaystyle n_{i}가 5\displaystyle 5이상인 홀수인 소수인 경우 2\displaystyle 2이상 ni\displaystyle n_{i}보다 작은 두 수로 분할하여 곱한 값이 크다.

+3점 · M(n)\displaystyle M(n)이 가장 큰 곱을 가지는 경우를 구할 수 있다.

(ⅲ) ni≥6\displaystyle n_{i} \ge 6인 합성수일 때,6=2+2+2=4+2=3+3\displaystyle 6 = 2 + 2 + 2 = 4 + 2 = 3 + 3으로 분할할 수 있으며 가장 큰 곱은 32\displaystyle 3^{2}이다.따라서 6\displaystyle 6보다 큰 자연수의 경우 위의 (ⅱ), (ⅲ)의 경우를 반복할 수 있고, M(n)\displaystyle M ( n )이 가장 큰 곱을 가지려면 ni\displaystyle n_{i}는 2\displaystyle 2, 3\displaystyle 3, 4\displaystyle 4의 자연수로 구성된다.

+5점 · M(40)\displaystyle M(40)의 값을 구할 수 있다.

(1) n=40\displaystyle n = 40일 때,40=3+3+⋯+3⏟12개+2+2=3+3+⋯+3⏟12개+4\displaystyle 40=\underbrace{3+3+\cdots+3}_{12\text{개}}+2+2=\underbrace{3+3+\cdots+3}_{12\text{개}}+4로 분할할 수 있고M(40)=312×4\displaystyle M ( 40 ) = 3^{12} \times 4 이다.

+10점 · p+q\displaystyle p+q의 값을 구할 수 있다.

(2) 한편 카드를 뽑는 방법의 수는(40C3×37C3×⋯×7C3×4C2×2C2×112!×12!)×14!+(40C3×37C3×⋯×7C3×4C4×112!)×13!=914×40!612+1324×40!612=55924×40!612=5594×40!613\displaystyle \begin{aligned}&\left({}_{40}\mathrm{C}_{3}\times{}_{37}\mathrm{C}_{3}\times\cdots\times{}_{7}\mathrm{C}_{3}\times{}_{4}\mathrm{C}_{2}\times{}_{2}\mathrm{C}_{2}\times\frac1{12!}\times\frac1{2!}\right)\times14!\\&+\left({}_{40}\mathrm{C}_{3}\times{}_{37}\mathrm{C}_{3}\times\cdots\times{}_{7}\mathrm{C}_{3}\times{}_{4}\mathrm{C}_{4}\times\frac1{12!}\right)\times13!\\&=\frac{91}4\times\frac{40!}{6^{12}}+\frac{13}{24}\times\frac{40!}{6^{12}}=\frac{559}{24}\times\frac{40!}{6^{12}}=\frac{559}4\times\frac{40!}{6^{13}}\end{aligned}따라서 구하는 p+q=559+4=563\displaystyle p + q = 559 + 4 = 563이다.

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