수리논술, 이게 다다.

수리형 1번

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문제

[문제 1] 다음 <제시문 1> ~ <제시문 3>을 읽고 [문제 1-ⅰ] ~ [문제 1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

<제시문 1>첫째항이 a\displaystyle a, 공차가 d\displaystyle d인 등차수열 {an}\displaystyle \{a_{n}\}의 일반항은an=a+(n−1)d(n=1, 2, 3, ⋯ )\displaystyle a_{n}=a+(n-1)d\qquad(n=1,\,2,\,3,\,\cdots)이고, 첫째항부터 제 n\displaystyle n항까지의 합 Sn\displaystyle S_{n}은 다음과 같다.Sn=n{2a+(n−1)d}2\displaystyle S_{n}=\frac{n\{2a+(n-1)d\}}{2}

<제시문 2>서로 다른 n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 조합의 수는 다음과 같다.nCr=nPrr!=n!r!(n−r)!(단, 0≤r≤n)\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{r}=\frac{{}_{n}\mathrm{P}_{r}}{r!}=\frac{n!}{r!(n-r)!}\qquad(\text{단},\ 0\le r\le n)

<제시문 3>양의 정수 n\displaystyle n에 대하여, n\displaystyle n개의 서로 다른 양의 정수로 이루어진 집합 S={a1, a2, ⋯ , an}\displaystyle S=\{a_{1},\,a_{2},\,\cdots,\,a_{n}\}를 생각하자. (단, a1<a2<⋯<an\displaystyle a_{1}<a_{2}<\cdots<a_{n}이라고 가정하자.) 집합 S\displaystyle S에서 서로 다른 두 개의 원소를 뽑아 더한 nC2\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_{2}개의 수가 모두 다르고, 이 수들을 크기가 작은 것부터 나열했을 때 등차수열을 이룬다고 가정하자. 예를 들어, n=3\displaystyle n=3일 때 집합 S={1, 2, 3}\displaystyle S=\{1,\,2,\,3\}이라고 하면, 등차수열 3,4,5\displaystyle 3,4,5를 얻을 수 있다.

[문제 1-ⅰ] <제시문 3>에서 n=3\displaystyle n=3일 때, 집합 S\displaystyle S로부터 얻은 등차수열의 합이 600\displaystyle 600이 되는 가능한 모든 집합 S\displaystyle S의 개수를 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 1-ⅱ] <제시문 3>에서 n=4\displaystyle n=4일 때, 집합 S\displaystyle S로부터 얻은 등차수열의 합이 2025\displaystyle 2025가 되는 가능한 모든 집합 S\displaystyle S의 개수를 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 1-ⅲ] n≥5\displaystyle n\ge5일 때, <제시문 3>의 조건을 만족하는 집합 S\displaystyle S가 존재하지 않음을 보이고, 그 이유를 논하시오. (10점)

해설강의 준비중

[문제 1-ⅰ]

+5점 · 집합 S\displaystyle S의 원소들이 만족해야되는 조건을 수식화 할 수 있다.

집합 S={a=a1,a2,a3}\displaystyle S=\{a=a_{1},a_{2},a_{3}\}로부터 얻은 등차수열은a1+a2<a1+a3<a2+a3\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{2}+a_{3}이고, 공차를 d\displaystyle d라고 하면, d=a2−a1=a3−a2\displaystyle d=a_{2}-a_{1}=a_{3}-a_{2}가 된다. 따라서, 등차수열은2a+d, 2a+2d, 2a+3d\displaystyle 2a+d,\,2a+2d,\,2a+3d가 되고,

+5점 · 가능한 집합 S\displaystyle S의 개수를 올바르게 구할 수 있다.

이 세수의 합은 6(a+d)=600\displaystyle 6(a+d)=600이 되어 a+d=100\displaystyle a+d=100을 얻게 된다. a,d≥1\displaystyle a,d\ge1이므로 만족하는 순서쌍 (a,d)=(1,99),(2,98),⋯ ,(99,1)\displaystyle (a,d)=(1,99),(2,98),\cdots,(99,1)이고 가능한 모든 집합 S\displaystyle S의 개수는 99\displaystyle 99이다.

[문제 1-ⅱ]

+2점 · 가능한 집합 S\displaystyle S를 두 가지로 나눌 수 있다.

집합 S={a=a1,a2,a3,a4}\displaystyle S=\{a=a_{1},a_{2},a_{3},a_{4}\}로부터 얻은 등차수열의 처음 세 개의 항은a1+a2<a1+a3<a1+a4\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{1}+a_{4} 혹은 a1+a2<a1+a3<a2+a3\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{2}+a_{3}이다.

+4점 · 첫 번째 경우의 개수를 구할 수 있다.

먼저, a1+a2<a1+a3<a1+a4\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{1}+a_{4}라고 가정하자. 이때, 등차수열은a1+a2<a1+a3<a1+a4<a2+a3<a2+a4<a3+a4\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{1}+a_{4}<a_{2}+a_{3}<a_{2}+a_{4}<a_{3}+a_{4}가 되고, 공차를 d\displaystyle d라고 하면 d=a3−a2=a4−a3\displaystyle d=a_{3}-a_{2}=a_{4}-a_{3}이 된다. 이로부터,d=(a2+a3)−(a1+a4)=a2−a1−d\displaystyle d=(a_{2}+a_{3})-(a_{1}+a_{4})=a_{2}-a_{1}-d을 얻게 되어, a2−a1=2d\displaystyle a_{2}-a_{1}=2d이다. 따라서, S={a,a+2d,a+3d,a+4d}\displaystyle S=\{a,a+2d,a+3d,a+4d\}가 되고, 집합 S\displaystyle S의 원소들로 만들어진 등차수열은 첫째항이 2a+2d\displaystyle 2a+2d이고 공차가 d\displaystyle d인 등차수열이므로 6(4a+9d)2=2025\displaystyle \frac{6(4a+9d)}{2}=2025, 즉 4a+9d=675\displaystyle 4a+9d=675이고 이를 만족하는 양의 정수의 쌍 (a,d)\displaystyle (a,d)는 (162,3),(153,7),⋯(9,71)\displaystyle (162,3),(153,7),\cdots(9,71)으로 총 18\displaystyle 18개다.

+4점 · 두 번째 경우의 개수를 구할 수 있다.

이제, a1+a2<a1+a3<a2+a3\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{2}+a_{3}라고 가정하자. 이때, 등차수열은a1+a2<a1+a3<a2+a3<a1+a4<a2+a4<a3+a4\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{2}+a_{3}<a_{1}+a_{4}<a_{2}+a_{4}<a_{3}+a_{4}이 되고, 위와 같은 방법으로(혹은 대칭성에 의해) S={a,a+d,a+2d,a+4d}\displaystyle S=\{a,a+d,a+2d,a+4d\}이고 집합 S\displaystyle S의 원소들로 만들어진 등차수열은 첫째항이 2a+d\displaystyle 2a+d이고 공차가 d\displaystyle d인 등차수열이므로 6(4a+7d)2=2025\displaystyle \frac{6(4a+7d)}{2}=2025, 즉 4a+7d=675\displaystyle 4a+7d=675가 된다. 이를 만족하는 양의 정수의 쌍 (a,d)\displaystyle (a,d)는 (167,1),(160,5),⋯ ,(6,93)\displaystyle (167,1),(160,5),\cdots,(6,93)으로 총 24\displaystyle 24개다. 따라서, 가능한 집합 S\displaystyle S의 개수는 42\displaystyle 42개다.

[문제 1-ⅲ]

+4점 · n≥6\displaystyle n\ge6인 경우 존재하지 않음을 보인다.

집합 S={a1,⋯ ,an}\displaystyle S=\{a_{1},\cdots,a_{n}\}로부터 얻은 등차수열은 다음과 같다.a1+a2<a1+a3<⋯<an−2+an<an−1+an\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<\cdots<a_{n-2}+a_{n}<a_{n-1}+a_{n}공차를 d\displaystyle d라 하면, d=a3−a2=an−1−an−2\displaystyle d=a_{3}-a_{2}=a_{n-1}-a_{n-2}를 얻을 수 있다. 이로부터a2+an−1=(a3−d)+(an−2+d)=a3+an−2\displaystyle a_{2}+a_{n-1}=(a_{3}-d)+(a_{n-2}+d)=a_{3}+a_{n-2}가 되어, 만약 n≥6\displaystyle n\ge6이라면 <제시문 3>의 조건에 모순이다.

+6점 · n=5\displaystyle n=5인 경우 존재하지 않음을 보인다.

이제 n=5\displaystyle n=5이라고 가정하면, a1+a2<a1+a3<⋯<a3+a5<a4+a5\displaystyle a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<\cdots<a_{3}+a_{5}<a_{4}+a_{5}를 얻는다.이로부터, d=a3−a2=a4−a3\displaystyle d=a_{3}-a_{2}=a_{4}-a_{3}을 얻게 되고, (a1+a3)+d=a1+(a3+d)=a1+a4\displaystyle (a_{1}+a_{3})+d=a_{1}+(a_{3}+d)=a_{1}+a_{4}가 되어, a1+a4\displaystyle a_{1}+a_{4}가 3\displaystyle 3번째 항이 된다. 마찬가지로 a2+a5\displaystyle a_{2}+a_{5}는 8\displaystyle 8번째 항이 된다.또한, a2+a3<a2+a4<a3+a4\displaystyle a_{2}+a_{3}<a_{2}+a_{4}<a_{3}+a_{4}도 각 항의 차이가 d\displaystyle d이므로 a1+a5\displaystyle a_{1}+a_{5}는 4\displaystyle 4번째 항이거나 7\displaystyle 7번째 항이 된다. 먼저, a1+a5\displaystyle a_{1}+a_{5}가 4\displaystyle 4번째 항이라고 가정하자. 그러면 등차수열은a1+a2<a1+a3<a1+a4<a1+a5<a2+a3<a2+a4<a3+a4<a2+a5<a3+a5<a4+a5\displaystyle \begin{aligned} &a_{1}+a_{2}<a_{1}+a_{3}<a_{1}+a_{4}<a_{1}+a_{5} \\ &<a_{2}+a_{3}<a_{2}+a_{4}<a_{3}+a_{4} \\ &<a_{2}+a_{5}<a_{3}+a_{5}<a_{4}+a_{5} \end{aligned}이 된다. 이때, a5−a4=(a1+a5)−(a1+a4)=d=(a1+a3)−(a1+a2)=a3−a2\displaystyle a_{5}-a_{4}=(a_{1}+a_{5})-(a_{1}+a_{4})=d=(a_{1}+a_{3})-(a_{1}+a_{2})=a_{3}-a_{2}이다. 이로부터 a2+a5=a3+a4\displaystyle a_{2}+a_{5}=a_{3}+a_{4}가 되어, <제시문 3>의 조건에 모순이다.마찬가지로 a1+a5\displaystyle a_{1}+a_{5}가 7\displaystyle 7번째 항인 경우에도 비슷한 방식으로 모순을 이끌어낼 수 있다.

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