수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

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+30점 · 로그의 성질을 이용해서 주어진 조건을 간단히 정리한다.

조건에서 주어진 식을 정리하면(a+4b)c2=32100\displaystyle (a+4b)c^{2}=3\cdot2^{100}\qquad\cdots\cdots이다.

+75점 · 조건을 만족시키는 순서쌍의 개수를 등비수열의 합을 이용해서 정확히 계산한다.

따라서 c=2r(r=0,1,,49)\displaystyle c=2^{r}(r=0,1,\cdots,49)이다. r=0,1,,49\displaystyle r=0,1,\cdots,49에 대해a=4(32982rb)\displaystyle a=4\cdot(3\cdot2^{98-2r}-b)이므로 ①을 만족시키는 순서쌍의 개수는 32982r1\displaystyle 3\cdot2^{98-2r}-1이다. 따라서 ①을 만족시키는 자연수의 모든 순서쌍의 개수는r=049(32982r1)=210051\displaystyle \sum_{r=0}^{49}(3\cdot2^{98-2r}-1)=2^{100}-51이다.

a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c는 서로 다른 세 자연수이므로 아래 (i), (ii), (iii), (iv)를 생각해야 한다.

(i) a=b\displaystyle a=b인 경우a+4b=5a\displaystyle a+4b=5a이므로 ①의 좌변은 5의 배수이지만 우변은 5의 배수가 아니다. 따라서 ①을 만족시키는 자연수의 순서쌍은 없다.(ii) a=c\displaystyle a=c인 경우(a+4b)a2=32100\displaystyle (a+4b)a^{2}=3\cdot2^{100}이므로 a3<32100\displaystyle a^{3}<3\cdot2^{100}이고 a=2r(r=0,1,,33)\displaystyle a=2^{r}(r=0,1,\cdots,33)이다. 이때 b=32982r2r2\displaystyle b=3\cdot2^{98-2r}-2^{r-2}이고 b\displaystyle b는 자연수이므로 r=2,3,,33\displaystyle r=2,3,\cdots,33이다. 따라서 구하는 순서쌍의 개수는 32\displaystyle 32이다.(iii) b=c\displaystyle b=c인 경우(a+4b)b2=32100\displaystyle (a+4b)b^{2}=3\cdot2^{100}이므로 4b3<32100\displaystyle 4b^{3}<3\cdot2^{100}이고 b=2r(r=0,1,,33)\displaystyle b=2^{r}(r=0,1,\cdots,33)이다. 이때 a=321002r2r+2\displaystyle a=3\cdot2^{100-2r}-2^{r+2}이고 a\displaystyle a는 자연수이므로 r=0,1,2,,33\displaystyle r=0,1,2,\cdots,33이다. 따라서 구하는 순서쌍의 개수는 34\displaystyle 34이다.(iv) a=b=c\displaystyle a=b=c인 경우(i)에 의해서 ①을 만족시키는 자연수의 순서쌍은 없다.

따라서 구하는 순서쌍 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)의 개수는2100513234=2100117\displaystyle 2^{100}-51-32-34=2^{100}-117이다.

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