수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 2번

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문제

[문제 2] (95점)

자연수 n\displaystyle n (n≥9)\displaystyle ( n \ge 9 )에 대하여 n\displaystyle n 이하의 자연수 전체의 집합을 An\displaystyle A_{n}이라 하자. 다음을 모두 만족시키는 함수 f:An→{0,1,2}\displaystyle f:A_n\to\{0,1,2\}의 개수를 구하여라.

(1) 집합 {k∣f(k)=0,k∈An}\displaystyle \left\{ k | f ( k ) = 0 , k \in A_{n} \right\}의 원소의 개수는 3\displaystyle 3이다.

(2) 집합 {k∣f(k)=1,k∈An}\displaystyle \left\{ k | f ( k ) = 1 , k \in A_{n} \right\}의 원소의 개수는 3\displaystyle 3이다.

(3) n\displaystyle n 이하의 모든 자연수 k\displaystyle k에 대하여 ∑i=1kf(i)≥k\displaystyle \sum_{i=1}^k f(i)\ge k이다.

해설강의 준비중

(ⅰ) f(n−2)=f(n−1)=f(n)=1\displaystyle f ( n - 2 ) = f ( n - 1 ) = f ( n ) = 1일 경우를 생각하자. 그러면 조건 (1)과 (2)를 모두 만족시키지만 조건 (3)을 만족시키지 않는 함수의 개수는 다음과 같다.

• f(1)=0\displaystyle f ( 1 ) = 0의 경우 함수의 개수는 n−4C2\displaystyle {}_{n-4}\mathrm{C}_2이다.• f(1)=2,f(2)=0,f(3)=0\displaystyle f ( 1 ) = 2 , f ( 2 ) = 0 , f ( 3 ) = 0의 경우 함수의 개수는 n−6C1\displaystyle {}_{n-6}\mathrm{C}_1이다.• f(1)=2,f(2)=0,f(3)=2,f(4)=0,f(5)=0\displaystyle f ( 1 ) = 2 , f ( 2 ) = 0 , f ( 3 ) = 2 , f ( 4 ) = 0 , f ( 5 ) = 0의 경우 함수의 개수는 1\displaystyle 1이다.• f(1)=2,f(2)=2,f(3)=0,f(4)=0,f(5)=0\displaystyle f ( 1 ) = 2 , f ( 2 ) = 2 , f ( 3 ) = 0 , f ( 4 ) = 0 , f ( 5 ) = 0의 경우 함수의 개수는 1\displaystyle 1이다.

따라서 이 경우에 문제의 조건을 모두 만족시키는 함수의 개수는 조건 (1)과 (2)를 모두 만족시키는 함수의 개수에서 위 네 가지 경우에 해당하는 함수의 개수를 뺀 것과 같다. 즉n−3C3−(n−4C2+n−6C1+1+1)=(n−3)(n−4)(n−8)6\displaystyle {}_{n-3}\mathrm{C}_3-\left({}_{n-4}\mathrm{C}_2+{}_{n-6}\mathrm{C}_1+1+1\right)=\frac{(n-3)(n-4)(n-8)}6이다.

(ⅱ) 일반적으로 1≤a<b<c≤n\displaystyle 1 \le a < b < c \le n인 a,b,c\displaystyle a , b , c에서 f(a)=f(b)=f(c)=1\displaystyle f ( a ) = f ( b ) = f ( c ) = 1일 경우는 a,b,c\displaystyle a , b , c의 선택이 조건 (3)의 부등식의 성립여부에 영향을 주지 않는다. 따라서 주어진 조건을 모두 만족시키는 함수의 개수도 (n−3)(n−4)(n−8)6\displaystyle \frac{{( n - 3 ) ( n - 4 ) ( n - 8 )}}{6}이다.

따라서 문제의 조건을 모두 만족시키는 함수의 개수는nC3×(n−3)(n−4)(n−8)6=n(n−1)(n−2)(n−3)(n−4)(n−8)36\displaystyle {}_{n}\mathrm{C}_3\times\frac{(n-3)(n-4)(n-8)}6=\frac{n(n-1)(n-2)(n-3)(n-4)(n-8)}{36}이다.

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