수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 4번

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문제

[문제 4] (115점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음을 모두 만족시키는 세 자연수 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c의 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle ( a , b , c )의 개수를 구하여라.

(1) 1≤a<b<c≤6n\displaystyle 1 \le a < b < c \le 6 n

(2) a+c=2b\displaystyle a + c = 2 b

(3) sin⁡(πa6n)<sin⁡(πb6n)<sin⁡(πc6n)\displaystyle \sin\left(\frac{\pi a}{6n}\right)<\sin\left(\frac{\pi b}{6n}\right)<\sin\left(\frac{\pi c}{6n}\right)

해설강의 준비중

f(x)=sin⁡(πx6n)\displaystyle f(x)=\sin\left(\frac{\pi x}{6n}\right)라 하자. 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프는 다음과 같다.

y=sin(πx/(6n))의 그래프와 2n, 3n, 4n, 6n

a,b,c\displaystyle a , b , c는 서로 다른 자연수이므로 2≤b≤6n−1\displaystyle 2 \le b \le 6 n - 1이다.

(i) 2≤b≤2n\displaystyle 2 \le b \le 2 n일 경우a\displaystyle a는 자연수이므로 조건 (2)에 의해 c<4n\displaystyle c < 4 n이다. 따라서 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프에 의해서 f(a)<f(b)<f(c)\displaystyle f ( a ) < f ( b ) < f ( c )을 만족시킨다. b\displaystyle b에 대하여 a\displaystyle a를 1\displaystyle 1부터 b−1\displaystyle b - 1까지 선택할 수 있으므로 세 자연수 a,b,c\displaystyle a , b , c의 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle ( a , b , c )의 개수는 b−1\displaystyle b - 1이다.

(ii) 2n<b<3n\displaystyle 2 n < b < 3 n일 경우y=f(x)\displaystyle y = f ( x )는 x=3n\displaystyle x = 3 n에 대해서 대칭이므로 f(b)<f(c)\displaystyle f ( b ) < f ( c )를 만족시키기 위해서는 b<c<6n−b\displaystyle b < c < 6 n - b이어야 한다. 또한 c\displaystyle c가 b<c<6n−b\displaystyle b < c < 6 n - b인 경우 a\displaystyle a는 1\displaystyle 1과 b\displaystyle b 사이에 존재하고 f(a)<f(b)\displaystyle f ( a ) < f ( b )이다. b\displaystyle b에 대하여 c\displaystyle c는 b+1\displaystyle b + 1부터 6n−b−1\displaystyle 6 n - b - 1까지 선택할 수 있으므로 세 자연수 a,b,c\displaystyle a , b , c의 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle ( a , b , c )의 개수는 6n−2b−1\displaystyle 6 n - 2 b - 1이다.

(iii) 3n≤b≤6n−1\displaystyle 3 n \le b \le 6 n - 1일 경우함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프로부터 f(b)>f(c)\displaystyle f ( b ) > f ( c )이므로 주어진 조건을 만족시키는 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle ( a , b , c )가 존재하지 않는다.

(i), (ii), (iii)에 의해서 주어진 조건을 모두 만족시키는 세 자연수 a,b,c\displaystyle a , b , c의 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle ( a , b , c )의 개수는∑b=22n(b−1)+∑b=2n+13n−1(6n−2b−1)=3n2−3n+1\displaystyle \sum_{b=2}^{2n}(b-1)+\sum_{b=2n+1}^{3n-1}(6n-2b-1)=3n^2-3n+1이다.

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