수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

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해설강의 준비중
+25점 · 주어진 조건으로부터 f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a의 개수가1개, 또는 4개인 경우밖에 없음을 보이고, 각각의 경우에 해당하는 f\displaystyle f의 개수를 올바르게 구한다.

(fff)(x)=x\displaystyle (f\circ f\circ f)(x)=x의 조건으로부터 f1=ff\displaystyle f^{-1}=f\circ f이므로, f\displaystyle f는 일대일 대응이어야 한다.

만일 aA\displaystyle a\in Af(a)=a\displaystyle f(a)=a를 만족하면, f(f(f(a)))=f(f(a))=f(a)=a\displaystyle f(f(f(a)))=f(f(a))=f(a)=a이므로 함수의 조건을 만족한다. 따라서 f(a)a\displaystyle f(a)\ne a인 경우만 고려하면 된다. 이를 위해, f(a)=a\displaystyle f(a)=a를 만족하는 a\displaystyle a의 개수로 함수를 분류해 보자.

각 경우를 살펴보기 위해 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c, d\displaystyle dA={1,2,3,4}\displaystyle A=\{1,2,3,4\}의 서로 다른 원소라고 하자.(i) f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a가 4개인 경우이 경우는 A\displaystyle A의 모든 원소에 대해서 함숫값이 변하지 않으므로 f\displaystyle f는 항등함수 한 가지 경우만 가능하고, 항등함수는 조건 (fff)(x)=x\displaystyle (f\circ f\circ f)(x)=x를 만족한다.

(ii) f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a가 3개인 경우함수 f\displaystyle f가 일대일 대응이므로, f(a)=a\displaystyle f(a)=a, f(b)=b\displaystyle f(b)=b, f(c)=c\displaystyle f(c)=c라면, f(d)=d\displaystyle f(d)=d일 수 밖에 없다. 따라서 이러한 함수는 존재하지 않는다.

(iii) f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a가 2개인 경우f(a)=a\displaystyle f(a)=a, f(b)=b\displaystyle f(b)=b이면 일대일대응 f\displaystyle f가 항등함수가 되지 않기 위해서는 f(c)=d\displaystyle f(c)=d, f(d)=c\displaystyle f(d)=c여야 한다. 하지만, 이 경우 f(f(f(c)))=f(f(d))=f(c)=d\displaystyle f(f(f(c)))=f(f(d))=f(c)=d이므로 조건을 만족하지 않는다.

(iv) f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a가 1개인 경우f(b)=c\displaystyle f(b)=c인 경우, f(c)=b\displaystyle f(c)=b라면 (iii)의 경우와 같이 함수 f\displaystyle f의 조건을 만족하지 않는다. 따라서 f(c)=d\displaystyle f(c)=d, f(d)=b\displaystyle f(d)=b일 수 밖에 없다.이 경우 a\displaystyle a가 될 수 있는 경우의 수 4가지, 나머지 세 개 중에서 가장 작은 값의 함숫값의 경우의 수는 2가지이므로, 총 8가지 경우가 있다.

(v) f(a)=a\displaystyle f(a)=aa\displaystyle a가 없는 경우f(a)=b\displaystyle f(a)=b일 때, (iii)의 경우와 마찬가지로 f(b)=a\displaystyle f(b)=a는 될 수 없다. 따라서 f(b)=c\displaystyle f(b)=c가 되어야 하고, 함수 f\displaystyle f의 조건을 만족하기 위해 f(c)=f(f(b))=f(f(f(a)))=a\displaystyle f(c)=f(f(b))=f(f(f(a)))=a가 되어야 한다. 따라서 f(d)=d\displaystyle f(d)=d일 수 밖에 없다. 이는 조건에 맞지 않으므로, 이러한 함수는 존재하지 않는다.

위의 경우를 종합하면 모두 9개의 함수를 구할 수 있다.

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