부산대 2020학년도 모의 의학계 3번 · mathesis.kr/archive/pusan/2020mo/uihak_3
문제
【문항 3】 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.
(가) 서로 다른 개에서 순서를 생각하지 않고 ()개를 택할 때, 이것을 개에서 개를 택하는 조합이라고 하며, 이 조합의 수를 기호로 와 같이 나타낸다. 이 때, 조합의 수는
(나) 자연수 을 자신보다 크지 않은 자연수 , , , , 의 합으로 ()와 같이 나타내는 것을 자연수의 분할이라고 한다. (단, )
(다) 원소가 유한개인 집합을 공집합이 아닌 몇 개의 서로소인 부분집합의 합집합으로 나타내는 것을 집합의 분할이라고 한다. 예를 들면, 원소가 개인 집합을 공집합이 아닌 개의 서로소인 부분집합으로 분할하는 방법의 수는 이다.
부터 까지의 자연수가 각각 하나씩 적힌 장의 카드가 주머니에 들어 있다. 한 번에 장에서 장까지 카드를 반복해서 꺼내려고 한다. 주머니에 남은 카드가 없도록 장의 카드를 모두 꺼내는 방법의 수를 생각해보자. 예를 들면, 일 때 꺼내는 방법의 수는 이다.
[3-1] 다음과 같은 시행을 통해 주머니 속에 있는 모든 카드를 꺼낸다.
번째 꺼낸 카드의 개수가 이면 번째 꺼내는 카드의 개수는 이하이다.
이와 같은 과정을 통해 장의 카드를 모두 꺼내는 방법의 수를 구하시오. (10점)
[3-2] 장의 카드를 ()번 시행하여 모두 꺼낼 때, 첫 번째, 두 번째, , 번째 꺼내는 카드의 개수를 각각 , , , 라 하고라 정의하자.
(1) 의 최댓값을 구하시오. (20점)
(2) (1)의 결과에서 카드를 꺼내는 방법의 수가 일 때, 의 값을 구하시오. (단, , 는 서로소인 자연수) (10점)
부산대 2020학년도 모의 의학계 3번 · mathesis.kr/archive/pusan/2020mo/uihak_3
[3-1]
를 주머니 속에 있는 카드를 꺼낸 횟수라 하면
(ⅰ) 일 때, 장의 카드를 한 번에 모두 꺼내야 하므로 구하는 경우의 수는 (가지)이다.
(ⅱ) 일 때,을 개의 자연수로 분할한 것 중 만족하는 경우는 이다.따라서 구하는 경우의 수는(가지)
(ⅲ) 일 때,을 개의 자연수로 분할한 것 중 만족하는 경우는 이다.따라서 구하는 경우의 수는(가지)
(ⅳ) 이면 만족하는 자연수 분할이 존재하지 않는다.그러므로 주어진 조건을 만족하는 개수는 (가지)이다.
[3-2]
에 대하여 이므로 다음과 같이 경우를 나누자.
(ⅰ) 중 적어도 하나가 일 때,일반성을 잃지 않고 라 가정하면이다. 이 때,이므로 이 최댓값을 가지려면 는 이상이다.
(ⅱ) 가 홀수인 소수일 때,㉠ 이면 이고 이므로 은 그대로 사용한다.㉡ 인 홀수인 소수이면이상인 두 자연수 , 에 대하여 로 나타낼 수 있다.에서 의 곱이 최대를 가진다. 하지만 가 홀수이므로 두 수 , 의 곱이 최대가 되는 경우는 에 가까운 두 자연수일 때, 즉이고 를 만족하는 의 범위를 구하면그러므로 가 이상인 홀수인 소수인 경우 이상 보다 작은 두 수로 분할하여 곱한 값이 크다.
(ⅲ) 인 합성수일 때,으로 분할할 수 있으며 가장 큰 곱은 이다.따라서 보다 큰 자연수의 경우 위의 (ⅱ), (ⅲ)의 경우를 반복할 수 있고, 이 가장 큰 곱을 가지려면 는 , , 의 자연수로 구성된다.
(1) 일 때,로 분할할 수 있고 이다.
(2) 한편 카드를 뽑는 방법의 수는따라서 구하는 이다.
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