수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (총 100점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 집합 Un\displaystyle U_{n}을Un={x∣−6n≤x≤6n, x는 정수}\displaystyle U_n=\{x\mid-6n\le x\le6n,\ x\text{는 정수}\}라 하자. 다음 조건 (1), (2)를 모두 만족시키는 집합 A\displaystyle A의 개수를 an\displaystyle a_{n}이라 하고, 조건 (1), (2), (3)을 모두 만족시키는 집합 A\displaystyle A의 개수를 bn\displaystyle b_{n}이라 하자.

(1) A\displaystyle A는 원소의 개수가 5\displaystyle 5인 Un\displaystyle U_{n}의 부분집합이다.

(2) A\displaystyle A의 모든 원소를 작은 수부터 순서대로 나열하면 등차수열이 된다.

(3) 0∉A\displaystyle 0 \notin A

(a) an\displaystyle a_{n}을 구하여라. (50점)

(b) bn\displaystyle b_{n}을 구하여라. (50점)

해설강의 준비중
+30점 · 1-1) 조건 (1)과 (2)을 이용하여 첫째항과 공차의 관계와 조건을 표현할 수 있다.

1-1) 조건 (1), (2)를 모두 만족시키는 A\displaystyle A의 원소를 첫째항 a\displaystyle a와 공차 d\displaystyle d (d≥1)\displaystyle \left( d \ge 1 \right)로 나타내면a\displaystyle a, a+d\displaystyle a + d, a+2d\displaystyle a + 2 d, a+3d\displaystyle a + 3 d, a+4d\displaystyle a + 4 d (a,d\displaystyle a , d는 정수)이므로−6n≤a\displaystyle - 6 n \le a, a+4d≤6n\displaystyle a + 4 d \le 6 n이다. 따라서 d\displaystyle d는 a=−6n\displaystyle a = - 6 n일 때 최댓값 3n\displaystyle 3 n을 가지므로 1≤d≤3n\displaystyle 1 \le d \le 3 n이고, d=k\displaystyle d = k일 때 a\displaystyle a는 −6n≤a≤6n−4k\displaystyle - 6 n \le a \le 6 n - 4 k인 정수이므로 가능한 a\displaystyle a의 개수는 12n+1−4k\displaystyle 12 n + 1 - 4 k이다.

+20점 · 1-1) an\displaystyle a_n을 구할 수 있다.

그러므로an=∑k=13n(12n+1−4k)=18n2−3n\displaystyle a_n=\sum_{k=1}^{3n}(12n+1-4k)=18n^2-3n이다.

+40점 · 1-2) 0∈A\displaystyle 0\in A인 조건을 만족시키는 부분집합의 개수를 구할 수 있다.

1-2) 조건 (1), (2)를 모두 만족시키는 A\displaystyle A의 원소를x1=a\displaystyle x_{1} = a, x2=a+d\displaystyle x_{2} = a + d, x3=a+2d\displaystyle x_{3} = a + 2 d, x4=a+3d\displaystyle x_{4} = a + 3 d, x5=a+4d\displaystyle x_{5} = a + 4 d (a,d\displaystyle a , d는 정수, d≥1\displaystyle d \ge 1)라 두자. 이제 조건 (1), (2)와 0∈A\displaystyle 0 \in A를 모두 만족시키는 집합 A\displaystyle A의 개수를 cn\displaystyle c_{n}이라 하면bn=an−cn\displaystyle b_{n} = a_{n} - c_{n}이다.

(i) x1=0\displaystyle x_{1} = 0이면 4≤4d≤6n\displaystyle 4 \le 4 d \le 6 n이므로 가능한 d\displaystyle d의 개수는 n\displaystyle n이 짝수일 때 3n2\displaystyle \frac{3n}{2}, n\displaystyle n이 홀수일 때 3n−12\displaystyle \frac{3n-1}{2}

(ii) x2=0\displaystyle x_{2} = 0이면 3≤3d≤6n\displaystyle 3 \le 3 d \le 6 n이므로 가능한 d\displaystyle d의 개수는 2n\displaystyle 2 n

(iii) x3=0\displaystyle x_{3} = 0이면 2≤2d≤6n\displaystyle 2 \le 2 d \le 6 n이므로 가능한 d\displaystyle d의 개수는 3n\displaystyle 3 n

(iv) x4=0\displaystyle x_{4} = 0이면 대칭성에 의해 x2=0\displaystyle x_{2} = 0일 때와 같으므로 가능한 d\displaystyle d의 개수는 2n\displaystyle 2 n

(v) x5=0\displaystyle x_{5} = 0이면 대칭성에 의해 x1=0\displaystyle x_{1} = 0일 때와 같으므로 가능한 d\displaystyle d의 개수는 n\displaystyle n이 짝수일 때 3n2\displaystyle \frac{3n}{2}, n\displaystyle n이 홀수일 때 3n−12\displaystyle \frac{3n-1}{2}

따라서cn={10n(n은 짝수)10n−1(n은 홀수)\displaystyle c_n=\begin{cases}10n&(n\text{은 짝수})\\10n-1&(n\text{은 홀수})\end{cases}

+10점 · 1-2) bn\displaystyle b_n을 구할 수 있다.

이므로bn={18n2−13n(n은 짝수)18n2−13n+1(n은 홀수)\displaystyle b_n=\begin{cases}18n^2-13n&(n\text{은 짝수})\\18n^2-13n+1&(n\text{은 홀수})\end{cases}이다.

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