수리논술, 이게 다다.

수리형 1번

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문제

[문제 1]

다음 <제시문1> ~ <제시문3>을 읽고 [문제 1-ⅰ] ~ [문제 1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

<제시문1>자연수의 거듭제곱의 합은 다음과 같다.∑k=1nk=n(n+1)2∑k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6∑k=1nk3={n(n+1)2}2\displaystyle \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}k &=\frac{n(n+1)}{2} \\ \sum_{k=1}^{n}k^{2} &=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} \\ \sum_{k=1}^{n}k^{3} &=\left\{\frac{n(n+1)}{2}\right\}^{2} \end{aligned}

<제시문2>첫째항이 a\displaystyle a, 공차가 d\displaystyle d인 등차수열의 제 n\displaystyle n항을 l\displaystyle l이라 하고, 첫째항부터 제 n\displaystyle n항까지의 합을 Sn\displaystyle S_{n}이라고 하면Sn=n(a+l)2=n(2a+(n−1)d)2\displaystyle S_{n}=\frac{n(a+l)}{2}=\frac{n(2a+(n-1)d)}{2}이다.

<제시문3>서로 다른 실수로 이루어진 집합 A={a1,a2,⋯ ,ak}\displaystyle A=\{a_{1},a_{2},\cdots,a_{k}\}에 대해 S(A)\displaystyle S(A)를 집합 A\displaystyle A의 모든 원소들의 합으로 정의하자.S(A)=a1+a2+⋯+ak\displaystyle S(A)=a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{k}예를 들어, 소수 p\displaystyle p에 대해 집합 A\displaystyle A를 A={1,p}\displaystyle A=\{1,p\}, 즉 p\displaystyle p의 약수들의 집합이라 할 때, S(A)=p+1\displaystyle S(A)=p+1이다.

[문제 1-ⅰ] <제시문3>에서 집합 A\displaystyle A를, 자연수 22025\displaystyle 2^{2025}의 약수에 log⁡2\displaystyle \log_{2}를 취한 값들의 집합이라 하자. 이때, S(A)\displaystyle S(A)의 값을 소인수분해하고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 1-ⅱ] <제시문3>에서 집합 A\displaystyle A를, 자연수 102025\displaystyle 10^{2025}의 약수에 log⁡10\displaystyle \log_{10}을 취한 값들의 집합이라 하자. 이때 S(A)\displaystyle S(A)의 값이 자연수임을 보인 뒤, 그 수를 소인수분해하고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 1-ⅲ] <제시문3>에서 집합 A\displaystyle A를, 자연수 102025\displaystyle 10^{2025}의 약수에 log⁡10\displaystyle \log_{10}을 취한 다음, 약수가 짝수이면 +1\displaystyle +1을 곱하고 홀수이면 −1\displaystyle -1을 곱한 값들의 집합이라 하자. 이때 S(A)−2025⋅2026⋅log⁡102\displaystyle S(A)-2025\cdot2026\cdot\log_{10}2의 값이 자연수임을 보이고, 그 수를 소인수분해한 뒤 그 이유를 논하시오. (10점)

해설강의 준비중

[문제 1-ⅰ]

+5점 · 집합 A\displaystyle A를 올바르게 구할 수 있다.

자연수 22025\displaystyle 2^{2025}의 약수는 1,2,4,⋯ ,22025\displaystyle 1,2,4,\cdots,2^{2025}이고, 여기에 log⁡2\displaystyle \log_{2}를 취했으므로, 집합 A\displaystyle A는A={0,1,2,⋯ ,2025}\displaystyle A=\{0,1,2,\cdots,2025\}이다.

+5점 · S(A)\displaystyle S(A)의 값을 올바르게 구하고 소인수분해할 수 있다.

따라서, S(A)=2025×20262=34⋅52⋅1013\displaystyle S(A)=\frac{2025\times2026}{2}=3^{4}\cdot5^{2}\cdot1013이다.

[문제 1-ⅱ]

+5점 · 집합 A\displaystyle A를 올바르게 구할 수 있다.

집합 A\displaystyle A의 원소는 0≤a,b≤2025\displaystyle 0\le a,b\le2025인 정수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 log⁡102a5b\displaystyle \log_{10}2^{a}5^{b}의 형태를 가진다.따라서, S(A)\displaystyle S(A)의 값은 102025\displaystyle 10^{2025}의 모든 약수들의 곱에 log⁡10\displaystyle \log_{10}를 취한 것과 같다.고정된 a\displaystyle a에 대하여, 2a\displaystyle 2^{a}에 의해 나눠지지만 2a+1\displaystyle 2^{a+1}에 의해서 나눠지지 않는 약수는 2a,2a5,2a52,⋯ ,2a52025\displaystyle 2^{a},2^{a}5,2^{a}5^{2},\cdots,2^{a}5^{2025}가 되어 모두 2026\displaystyle 2026개다. 마찬가지로 고정된 b\displaystyle b에 대하여, 2b\displaystyle 2^{b}에 의해 나눠지지만 2b+1\displaystyle 2^{b+1}에 의해서 나눠지지 않는 약수는 모두 2026\displaystyle 2026개다.Correction. 고정된 b\displaystyle b에 대한 설명의 2b\displaystyle 2^b와 2b+1\displaystyle 2^{b+1}은 각각 5b\displaystyle 5^b와 5b+1\displaystyle 5^{b+1}을 뜻한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+5점 · S(A)\displaystyle S(A)의 값을 올바르게 구하고 소인수분해할 수 있다.

따라서,S(A)=log⁡10(20×202621×2026⋯22025×2026×50×202651×2026⋯52025×2026)=log⁡10102026(0+1+⋯+2025)=2026×2025×20262=2⋅34⋅52⋅10132\displaystyle \begin{aligned} S(A) &=\log_{10}\left(2^{0\times2026}2^{1\times2026}\cdots2^{2025\times2026}\times5^{0\times2026}5^{1\times2026}\cdots5^{2025\times2026}\right) \\ &=\log_{10}10^{2026(0+1+\cdots+2025)} \\ &=2026\times\frac{2025\times2026}{2} \\ &=2\cdot3^{4}\cdot5^{2}\cdot1013^{2} \end{aligned}이다.

[문제 1-ⅲ]

+5점 · 집합 A\displaystyle A를 올바르게 구할 수 있다.

집합 A1\displaystyle A_{1}를 102025\displaystyle 10^{2025}의 짝수인 약수에 log⁡10\displaystyle \log_{10}를 취한 수들의 집합이라고 하고, 집합 A2\displaystyle A_{2}를 102025\displaystyle 10^{2025}의 홀수인 약수에 −log⁡10\displaystyle -\log_{10}를 취한 수들의 집합이라고 하자. 그러면, A=A1∪A2\displaystyle A=A_{1}\cup A_{2}이고 S(A)=S(A1)+S(A2)\displaystyle S(A)=S(A_{1})+S(A_{2})가 성립한다.집합 A1\displaystyle A_{1}의 원소는 1≤a≤2025\displaystyle 1\le a\le2025와 0≤b≤2025\displaystyle 0\le b\le2025인 정수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 log⁡102a5b\displaystyle \log_{10}2^{a}5^{b}의 형태를 띠므로, [문제 1-ii]에서와 같은 방법으로S(A1)=log⁡10(21×2026⋯22025×2026×50×202551×2025⋯52025×2025)=log⁡1022026(1+⋯+2025)52025(0+1+⋯+2025)\displaystyle \begin{aligned} S(A_{1}) &=\log_{10}\left(2^{1\times2026}\cdots2^{2025\times2026}\times5^{0\times2025}5^{1\times2025}\cdots5^{2025\times2025}\right) \\ &=\log_{10}2^{2026(1+\cdots+2025)}5^{2025(0+1+\cdots+2025)} \end{aligned}임을 알 수 있다. 집합 A2\displaystyle A_{2}의 원소는 0≤b≤2025\displaystyle 0\le b\le2025인 정수 b\displaystyle b에 대하여 −log⁡105b\displaystyle -\log_{10}5^{b}의 형태를 띠므로,S(A2)=−log⁡10(50+1+⋯2025)\displaystyle S(A_{2})=-\log_{10}\left(5^{0+1+\cdots2025}\right)이다.

+5점 · S(A)−2025⋅2026⋅log⁡102\displaystyle S(A)-2025\cdot2026\cdot\log_{10}2의 값을 올바르게 구하고 소인수분해할 수 있다.

따라서,S(A)=S(A1)+S(A2)=log⁡10220262×2025252024×2025×20262=(2024×2025×20262)+log⁡1022025×2026\displaystyle \begin{aligned} S(A) &=S(A_{1})+S(A_{2}) \\ &=\log_{10}2^{\frac{2026^{2}\times2025}{2}}5^{\frac{2024\times2025\times2026}{2}} \\ &=\left(\frac{2024\times2025\times2026}{2}\right)+\log_{10}2^{2025\times2026} \end{aligned}이고, S(A)−2025⋅2026⋅log⁡102=23⋅34⋅52⋅11⋅23⋅1013\displaystyle S(A)-2025\cdot2026\cdot\log_{10}2=2^{3}\cdot3^{4}\cdot5^{2}\cdot11\cdot23\cdot1013이다.

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