수리논술, 이게 다다.

의예과 1번

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문제

【문제 1】 다음 물음에 답하시오. [50점]

(1) 1≤r≤n\displaystyle 1\le r\le n일 때, rCr+r+1Cr+⋯+nCr=n+1Cr+1\displaystyle {}_r\mathrm{C}_r+{}_{r+1}\mathrm{C}_r+\cdots+{}_n\mathrm{C}_r={}_{n+1}\mathrm{C}_{r+1}이 성립함을 보이시오.

(2) (1+x+y+z+w)10\displaystyle (1+x+y+z+w)^{10}의 전개식에서 항 xpyqzrws\displaystyle x^py^qz^rw^s의 차수를 p+q+r+s\displaystyle p+q+r+s로 정의하자. 항 xpyqzrws\displaystyle x^py^qz^rw^s의 차수가 10 미만인 모든 순서쌍 (p,q,r,s)\displaystyle (p,q,r,s)의 개수를 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · nCr+nCr+1=n+1Cr+1\displaystyle {}_n\mathrm{C}_r+{}_n\mathrm{C}_{r+1}={}_{n+1}\mathrm{C}_{r+1}을 이용한다.

(1) n−1Cr−1+n−1Cr=nCr\displaystyle {}_{n-1}\mathrm{C}_{r-1}+{}_{n-1}\mathrm{C}_r={}_n\mathrm{C}_r이므로

+10점 · ∑k=rnkCr\displaystyle \sum_{k=r}^{n}{}_k\mathrm{C}_r이 n+1Cr+1\displaystyle {}_{n+1}\mathrm{C}_{r+1} 임을 보인다.

∑k=rnkCr=rCr+∑k=r+1n(k+1Cr+1−kCr+1)=rCr+n+1Cr+1−r+1Cr+1=n+1Cr+1\displaystyle \sum_{k=r}^{n}{}_k\mathrm{C}_r={}_r\mathrm{C}_r+\sum_{k=r+1}^{n}({}_{k+1}\mathrm{C}_{r+1}-{}_k\mathrm{C}_{r+1})={}_r\mathrm{C}_r+{}_{n+1}\mathrm{C}_{r+1}-{}_{r+1}\mathrm{C}_{r+1}={}_{n+1}\mathrm{C}_{r+1}.

+10점 · p+q+r+s=k\displaystyle p+q+r+s=k를 만족하는 음이 아닌 정수해의 개수는 4Hk\displaystyle {}_4\mathrm{H}_k임을 안다.

(2) (1+x+y+w+z)10\displaystyle (1+x+y+w+z)^{10}의 전개식에서 서로 다른 문자가 4개이며 중복을 허용하여 이중 k\displaystyle k를 택할 경우 방정식 p+q+r+s=k\displaystyle p+q+r+s=k를 만족하는 음이 아닌 정수해의 개수와 같다.

+5점 · 구하려고 하는 모든 경우의 수가 p+q+r+s=k,k=0,1,⋯ ,9\displaystyle p+q+r+s=k,k=0,1,\cdots,9을 만족하는 음이 아닌 정수해의 개수의 합임을 제시한다.
+5점 · 4Hk=4+k−1Ck=3+kC3\displaystyle {}_4\mathrm{H}_k={}_{4+k-1}\mathrm{C}_k={}_{3+k}\mathrm{C}_3임을 안다.
+5점 · 구하려는 문제의 답이 ∑k=09k+3C3\displaystyle \sum_{k=0}^{9}{}_{k+3}\mathrm{C}_3 임을 보인다.
+5점 · 1-1의 결과를 이용하여 ∑k=09k+3C3=13C4=715\displaystyle \sum_{k=0}^{9}{}_{k+3}\mathrm{C}_3={}_{13}\mathrm{C}_4=715 임을 보인다.

그러므로 4Hk=4+k−1Ck\displaystyle {}_4\mathrm{H}_k={}_{4+k-1}\mathrm{C}_k이다. 이제 부등식 p+q+r+s<10\displaystyle p+q+r+s<10을 만족시키는 경우는 p+q+r+s=k, k=0,1,⋯ ,9\displaystyle p+q+r+s=k,\ k=0,1,\cdots,9에 해당하므로, ∑k=09(3+kCk)=∑k=09(3+kC3)=13C4=715\displaystyle \sum_{k=0}^{9}({}_{3+k}\mathrm{C}_k)=\sum_{k=0}^{9}({}_{3+k}\mathrm{C}_3)={}_{13}\mathrm{C}_4=715.

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