수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 아래 질문에 답하시오.

[제시문 3]

김연세는 정육면체 모양의 주사위를 던져서 나오는 눈의 수에 따라 1층부터 10층 사이를 이동하는 놀이를 한다.첫 번째 시행에서는 주사위를 던져서 나온 눈의 수와 같은 층으로 간다.두 번째부터는 다음 규칙에 따라서 놀이가 끝날 때까지 주사위 던지기를 반복 시행한다.

[규칙] 김연세가 n\displaystyle n층에 있을 때, 주사위를 던져서 나온 눈의 수가 m\displaystyle m이라고 하자.1. n+m<10\displaystyle n+m<10 이면 n+m\displaystyle n+m층으로 간다.2. n+m>10\displaystyle n+m>10 이면 10−(n+m−10)\displaystyle 10-(n+m-10)층으로 간다.3. n+m=10\displaystyle n+m=10 이면 놀이가 끝난다.

[3-1] 주사위를 세 번 이하로 던져서 놀이가 끝나는 경우의 수를 구하시오. [7점]

[3-2] 주사위를 네 번 던져서 놀이가 끝났다고 하자. 놀이가 끝나기 전까지 규칙 1만 적용된 경우의 수를 구하시오. [7점]

[3-3] 주사위를 네 번 던져서 놀이가 끝나는 경우의 수를 구하시오. [10점]

중복조합

+7점 · 한 번 만에는 끝날 수 없음을 밝히고 두 번·세 번으로 나눈 뒤, 세 번째 시행 전에 규칙 2가 적용되는 경우까지 빠뜨리지 않고 세어 33을 구한다.

k\displaystyle k번째 시행에서 나온 눈의 수를 mk\displaystyle m_{k}, 그 시행을 마친 뒤에 있는 층을 fk\displaystyle f_{k}라 하자.첫 번째 시행에는 규칙이 적용되지 않아 f1=m1≤6\displaystyle f_{1}=m_{1}\le6이므로 한 번 만에 끝나는 일은 없다.따라서 두 번 만에 끝나는 경우와 세 번 만에 끝나는 경우로 나눈다.

(ⅰ) 두 번 만에 끝나는 경우m1+m2=10\displaystyle m_{1}+m_{2}=10이어야 하고 1≤m1,m2≤6\displaystyle 1\le m_{1},m_{2}\le6이므로(m1,m2)=(4,6), (5,5), (6,4)\displaystyle (m_{1},m_{2})=(4,6),\ (5,5),\ (6,4)의 3가지이다.

(ⅱ) 세 번 만에 끝나는 경우두 번째 시행에서 끝나지 않아야 하므로 m1+m2≠10\displaystyle m_{1}+m_{2}\ne10이고, f2+m3=10\displaystyle f_{2}+m_{3}=10이어야 한다.

(가) 두 번째 시행에 규칙 1이 적용된 경우, 곧 m1+m2<10\displaystyle m_{1}+m_{2}<10인 경우f2=m1+m2\displaystyle f_{2}=m_{1}+m_{2}이므로 조건은 m1+m2+m3=10\displaystyle m_{1}+m_{2}+m_{3}=10이 된다.m3≥1\displaystyle m_{3}\ge1에서 m1+m2≤9\displaystyle m_{1}+m_{2}\le9가 저절로 따라오므로 m1+m2<10\displaystyle m_{1}+m_{2}<10은 따로 확인할 것이 없다.m1+m2+m3=10\displaystyle m_{1}+m_{2}+m_{3}=10의 자연수해는 3H7=9C7=36\displaystyle {}_{3}\mathrm{H}_{7}={}_{9}\mathrm{C}_{7}=36개이고,이 중 7 이상인 눈이 하나 있는 것은 그 눈에서 6을 뺀 m1′+m2+m3=4\displaystyle m_{1}^{\prime}+m_{2}+m_{3}=4의 자연수해와 일대일 대응하므로 3C2=3\displaystyle {}_{3}\mathrm{C}_{2}=3개씩,어느 자리인지에 따라 3×3=9\displaystyle 3\times3=9개다(두 눈이 동시에 7 이상이면 합이 14를 넘어 불가능하다).따라서 36−9=27\displaystyle 36-9=27가지이다.

(나) 두 번째 시행에 규칙 2가 적용된 경우, 곧 m1+m2>10\displaystyle m_{1}+m_{2}>10인 경우f2=20−(m1+m2)\displaystyle f_{2}=20-(m_{1}+m_{2})이므로m1+m2=11\displaystyle m_{1}+m_{2}=11이면 f2=9\displaystyle f_{2}=9, (m1,m2)=(5,6),(6,5)\displaystyle (m_{1},m_{2})=(5,6),(6,5)의 2가지이고 m3=1\displaystyle m_{3}=1이다.m1+m2=12\displaystyle m_{1}+m_{2}=12이면 f2=8\displaystyle f_{2}=8, (m1,m2)=(6,6)\displaystyle (m_{1},m_{2})=(6,6)의 1가지이고 m3=2\displaystyle m_{3}=2이다.따라서 3가지이다.

(ⅰ), (ⅱ)를 더하면 구하는 경우의 수는3+(27+3)=33\displaystyle 3+(27+3)=33

+7점 · 규칙 1만 적용된다는 조건이 네 눈의 합이 10이라는 조건과 같음을 밝히고, 자연수해 84개에서 7 이상인 눈이 있는 4개를 빼 80을 구한다.

규칙 1만 적용되었다는 것은 세 번째 시행까지 층이 그때까지 나온 눈의 합과 같다는 뜻이다.네 번째 시행에서 놀이가 끝나므로 조건은m1+m2+m3+m4=10\displaystyle m_{1}+m_{2}+m_{3}+m_{4}=10이다.이때 m1+m2≤8\displaystyle m_{1}+m_{2}\le8, m1+m2+m3≤9\displaystyle m_{1}+m_{2}+m_{3}\le9가 저절로 따라오므로 앞의 두 시행에 규칙 1이 적용된다는 조건은 따로 확인할 것이 없다.

m1+m2+m3+m4=10\displaystyle m_{1}+m_{2}+m_{3}+m_{4}=10의 자연수해는 4H6=9C6=84\displaystyle {}_{4}\mathrm{H}_{6}={}_{9}\mathrm{C}_{6}=84개이고,이 중 7 이상인 눈이 하나 있는 것은 그 눈에서 6을 뺀 m1′+m2+m3+m4=4\displaystyle m_{1}^{\prime}+m_{2}+m_{3}+m_{4}=4의 자연수해와 일대일 대응하므로 3C3=1\displaystyle {}_{3}\mathrm{C}_{3}=1개씩,어느 자리인지에 따라 1×4=4\displaystyle 1\times4=4개다.따라서 구하는 경우의 수는84−4=80\displaystyle 84-4=80

+10점 · 규칙 2가 어느 시행에 적용되는지로 네 경우를 빠짐없이 나누고, 각각 80·1·72·14를 구해 합이 167임을 보인다.

네 번째 시행에서 끝나므로 두 번째와 세 번째 시행에는 규칙 1 또는 규칙 2가 적용된다.어느 시행에 규칙 2가 적용되는지에 따라 네 경우로 나눈다.

(ⅰ) 규칙 2가 한 번도 적용되지 않는 경우[3-2]에서 구한 80가지이다.

(ⅱ) 두 번째 시행에만 규칙 2가 적용되는 경우m1+m2>10\displaystyle m_{1}+m_{2}>10에서 f2=20−(m1+m2)\displaystyle f_{2}=20-(m_{1}+m_{2})은 8 또는 9이다.세 번째 시행에 규칙 1이 적용되어야 하므로 f2+m3<10\displaystyle f_{2}+m_{3}<10인데, f2=9\displaystyle f_{2}=9이면 m3≥1\displaystyle m_{3}\ge1에서 이를 만족할 수 없다.따라서 f2=8\displaystyle f_{2}=8, 곧 (m1,m2)=(6,6)\displaystyle (m_{1},m_{2})=(6,6)이고 m3=1\displaystyle m_{3}=1이어야 하며, 이때 f3=9\displaystyle f_{3}=9이므로 m4=1\displaystyle m_{4}=1이다.따라서 1가지이다.

(ⅲ) 세 번째 시행에만 규칙 2가 적용되는 경우f2=m1+m2<10\displaystyle f_{2}=m_{1}+m_{2}<10이고 f2+m3>10\displaystyle f_{2}+m_{3}>10이므로 f3=20−(f2+m3)\displaystyle f_{3}=20-(f_{2}+m_{3})이고m4=10−f3=f2+m3−10\displaystyle m_{4}=10-f_{3}=f_{2}+m_{3}-10이다. f2≤9\displaystyle f_{2}\le9, m3≤6\displaystyle m_{3}\le6에서 m4≤5\displaystyle m_{4}\le5이므로 m4≤6\displaystyle m_{4}\le6은 저절로 만족되고, 남는 조건은 f2+m3≥11\displaystyle f_{2}+m_{3}\ge11뿐이다.f2=s\displaystyle f_{2}=s일 때 m3\displaystyle m_{3}는 11−s\displaystyle 11-s부터 6까지 s−4\displaystyle s-4개이고,합이 s\displaystyle s인 (m1,m2)\displaystyle (m_{1},m_{2})의 개수는 s=5,6,7,8,9\displaystyle s=5,6,7,8,9에 대하여 차례로 4, 5, 6, 5, 4이므로4×1+5×2+6×3+5×4+4×5=72\displaystyle 4\times1+5\times2+6\times3+5\times4+4\times5=72가지이다.

(ⅳ) 두 번째와 세 번째 시행에 모두 규칙 2가 적용되는 경우f2=9\displaystyle f_{2}=9이면 (m1,m2)\displaystyle (m_{1},m_{2})는 2가지이고, 9+m3>10\displaystyle 9+m_{3}>10에서 m3≥2\displaystyle m_{3}\ge2이며 f3=11−m3\displaystyle f_{3}=11-m_{3}, m4=m3−1\displaystyle m_{4}=m_{3}-1이므로 m3=2,3,⋯ ,6\displaystyle m_{3}=2,3,\cdots,6의 5가지이다.f2=8\displaystyle f_{2}=8이면 (m1,m2)\displaystyle (m_{1},m_{2})는 1가지이고, 8+m3>10\displaystyle 8+m_{3}>10에서 m3≥3\displaystyle m_{3}\ge3이며 f3=12−m3\displaystyle f_{3}=12-m_{3}, m4=m3−2\displaystyle m_{4}=m_{3}-2이므로 m3=3,4,5,6\displaystyle m_{3}=3,4,5,6의 4가지이다.따라서 2×5+1×4=14\displaystyle 2\times5+1\times4=14가지이다.

(ⅰ)~(ⅳ)를 더하면 구하는 경우의 수는80+1+72+14=167\displaystyle 80+1+72+14=167

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