수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

【문항 1】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

[I] 변수를 포함하는 문장이나 식이 변수의 값에 따라 참, 거짓이 판명될 때, 이 문장이나 식을 조건이라고 한다. 또 전체집합 U\displaystyle U의 원소 중에서 어떤 조건을 참이 되게 하는 모든 원소의 집합을 그 조건의 진리집합이라고 한다.

[II] 집합 A\displaystyle A의 원소의 개수를 기호로 n(A)\displaystyle n(A)와 같이 나타낸다.

[III] 서로 다른 n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 순열의 수는 nPr=n!(n−r)!\displaystyle {}_n\mathrm P_r=\frac{n!}{(n-r)!} (단, 0≤r≤n\displaystyle 0\le r\le n)이고,서로 다른 n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 조합의 수는 nCr=n!r!(n−r)!\displaystyle {}_n\mathrm C_r=\frac{n!}{r!(n-r)!} (단, 0≤r≤n\displaystyle 0\le r\le n)이다.

여섯 명의 학생 A1,A2,A3,A4,A5,A6\displaystyle \mathrm A_1,\mathrm A_2,\mathrm A_3,\mathrm A_4,\mathrm A_5,\mathrm A_6의 수학 점수와 과학 점수가 아래의 표와 같다.

수학 점수과학 점수
A1\mathrm A_150507070
A2\mathrm A_260605050
A3\mathrm A_370706060
A4\mathrm A_480807070
A5\mathrm A_59090100100
A6\mathrm A_61001009090

[1-1] 전체집합 U={(i,j)∣i=1,2,3,4,5,6이고 j=1,2,3,4,5,6}\displaystyle U=\{(i,j)\mid i=1,2,3,4,5,6\text{이고 }j=1,2,3,4,5,6\}에 대하여 두 조건 p,q\displaystyle p,q를p:Ai\displaystyle p:\mathrm A_i의 수학 점수가 Aj\displaystyle \mathrm A_j의 수학 점수보다 높다.q:Ai\displaystyle q:\mathrm A_i의 과학 점수가 Aj\displaystyle \mathrm A_j의 과학 점수보다 낮다.라 하자. 두 조건 p,q\displaystyle p,q의 진리집합을 각각 P,Q\displaystyle P,Q라 할 때, n(P),  n(Q),  n(P∪Q)\displaystyle n(P),\;n(Q),\;n(P\cup Q)의 값을 각각 구하시오. (15점)

[1-2] 여섯 명의 학생 A1,A2,A3,A4,A5,A6\displaystyle \mathrm A_1,\mathrm A_2,\mathrm A_3,\mathrm A_4,\mathrm A_5,\mathrm A_6 중에서 4명을 뽑아 일렬로 나열할 때, 수학 점수가 80점 이상인 학생끼리는 서로 이웃하지 않게 나열하는 경우의 수를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
+5점 · 진리집합 P\displaystyle P의 원소의 개수를 구한다.

[1-1]6명의 수학 점수가 모두 다르므로 6명 중 임의로 뽑은 두 명을 Ai\displaystyle \mathrm A_i와 Aj\displaystyle \mathrm A_j라고 하면(Ai\displaystyle \mathrm A_i의 수학 점수) <\displaystyle < (Aj\displaystyle \mathrm A_j의 수학 점수)인 경우는 순서쌍 (j,i)\displaystyle (j,i)가 조건 p\displaystyle p를 참으로 하고,(Ai\displaystyle \mathrm A_i의 수학 점수) >\displaystyle > (Aj\displaystyle \mathrm A_j의 수학 점수)인 경우는 순서쌍 (i,j)\displaystyle (i,j)가 조건 p\displaystyle p를 참으로 한다.따라서 6명 중 2명을 택하는 조합의 수와 진리집합 P\displaystyle P의 원소의 개수는 같다. 즉 n(P)=6C2=15\displaystyle n(P)={}_6\mathrm C_2=15이다.

+5점 · 진리집합 Q\displaystyle Q의 원소의 개수를 구한다.

A1\displaystyle \mathrm A_1과 A4\displaystyle \mathrm A_4의 과학 점수만 같고 나머지의 과학 점수는 서로 다르므로 U−{(1,4),(4,1)}\displaystyle U-\{(1,4),(4,1)\}의 원소이면서 i≠j\displaystyle i\ne j인 (i,j)\displaystyle (i,j)에 대하여임의의 두 명을 Ai\displaystyle \mathrm A_i와 Aj\displaystyle \mathrm A_j라고 하면(Ai\displaystyle \mathrm A_i의 과학 점수) <\displaystyle < (Aj\displaystyle \mathrm A_j의 과학 점수)인 경우는 순서쌍 (i,j)\displaystyle (i,j)가 조건 q\displaystyle q를 참으로 하고,(Ai\displaystyle \mathrm A_i의 과학 점수) >\displaystyle > (Aj\displaystyle \mathrm A_j의 과학 점수)인 경우는 순서쌍 (j,i)\displaystyle (j,i)가 조건 q\displaystyle q를 참으로 한다.따라서 6명 중 2명을 택하는 조합의 수에서 A1\displaystyle \mathrm A_1과 A4\displaystyle \mathrm A_4가 동시에 뽑히는 경우의 수를 제외한 값이 진리집합 Q\displaystyle Q의 원소의 개수이다. 즉, n(Q)=6C2−1=14\displaystyle n(Q)={}_6\mathrm C_2-1=14이다.

+5점 · 합집합 P∪Q\displaystyle P\cup Q의 원소의 개수를 구한다.

i\displaystyle i가 하나로 고정 되었을 때 조건 p\displaystyle p와 q\displaystyle q를 모두 만족 시키는 j\displaystyle j를 찾으면, 전체 집합의 원소 중 P∩Q\displaystyle P\cap Q의 원소는 (2,1),(3,1),(6,5)\displaystyle (2,1),(3,1),(6,5)임을 알 수 있다.따라서 n(P∩Q)=3\displaystyle n(P\cap Q)=3이고, n(P∪Q)=n(P)+n(Q)−n(P∩Q)=15+14−3=26\displaystyle n(P\cup Q)=n(P)+n(Q)-n(P\cap Q)=15+14-3=26이다.

+2점 · 수학 점수가 80점 이상인 학생이 총 3명임을 구한다.

[1-2]6명 중 수학 점수가 80점 이상인 학생이 3명이고 80점 미만인 학생이 3명이다. (i) 수학 점수가 80점 이상인 학생이 0명 뽑히는 경우, (ii) 수학 점수가 80점 이상인 학생이 1명 뽑히는 경우, (iii) 수학 점수가 80점 이상인 학생이 2명 뽑히는 경우, (iv) 수학 점수가 80점 이상인 학생이 3명 뽑히는 경우로 나누어 생각한다.(i) 6명 중 4명을 뽑는다면 적어도 한 명은 수학 점수가 80점 이상이므로 수학 점수가 80점 이상인 학생이 한 명도 뽑히지 않는 경우의 수는 0이다.

+5점 · 수학 점수가 80점 이상인 학생이 1명인 경우의 수를 구한다.

(ii) 뽑힌 4명 중 수학 점수가 80점 이상인 학생이 1명인 경우의 수는 3C1=3\displaystyle {}_3\mathrm C_1=3이고, 각각의 경우에 대하여 수학 점수가 80점 이상인 학생이 이웃할 수 없으므로 4명을 자유롭게 나열하는 경우의 수는 4!=24\displaystyle 4!=24이다. 따라서 구하는 경우의 수는 3C1×4!=72\displaystyle {}_3\mathrm C_1\times4!=72이다.

+5점 · 수학 점수가 80점 이상인 학생이 2명인 경우의 수를 구한다.

(iii) 뽑힌 4명 중 수학 점수가 80점 미만인 학생 2명을 먼저 나열하는 경우의 수는 3P2=6\displaystyle {}_3\mathrm P_2=6이고, 80점 이상인 학생 두 명을 뽑아 서로 이웃하지 않도록 이미 나열된 두 사람 옆자리에 한 명씩 나열하는 경우의 수는 3C2×3P2=3×6=18\displaystyle {}_3\mathrm C_2\times{}_3\mathrm P_2=3\times6=18이다.따라서 구하는 경우의 수는 3P2×3C2×3P2=108\displaystyle {}_3\mathrm P_2\times{}_3\mathrm C_2\times{}_3\mathrm P_2=108이다.

+2점 · 수학 점수가 80점 이상인 학생이 3명 이상인 경우의 수를 구한다.

(iv) 뽑힌 4명 중 수학 점수가 80점 이상인 학생이 3명인 경우는 이웃하지 않게 나열할 수 없으므로 경우의 수는 0이다.

+1점 · 수학 점수가 80점 이상인 학생이 서로 이웃하지 않는 총 경우의 수를 구한다.

따라서 구하는 총 경우의 수는 0+72+108+0=180\displaystyle 0+72+108+0=180이다.

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