수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

※다음 제시문을 읽고 아래 질문에 답하시오.

[제시문 3]

자연수 1\displaystyle 1부터 352(=1225)\displaystyle 35^2(=1225) 까지의 숫자가 다음과 같이 나열되어 있다.

1부터 1225까지 35열로 나열한 수와 대각선 방향

위와 같이 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로의 대각선 방향으로 순서를 정하여 n\displaystyle n번째 숫자를 f(n) (n=1,2,3,⋯ ,1225)\displaystyle f(n)\ (n=1,2,3,\cdots,1225)으로 정의한다.

예) f(1)=1, f(2)=36, f(3)=2, f(4)=71, f(5)=37, f(6)=3, ⋯⋯\displaystyle f(1)=1,\ f(2)=36,\ f(3)=2,\ f(4)=71,\ f(5)=37,\ f(6)=3,\ \cdots\cdots

[3-1] f(300)\displaystyle f(300)의 값을 구하시오. [5점]

[3-2] f(n)=n\displaystyle f(n)=n을 만족시키는 모든 n\displaystyle n의 값을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중
+5점 · [3-1] [상] : 계산 과정 뿐만 아니라 요구하는 정답까지 모두 맞은 경우 [중] : 계산 과정은 맞으나 도출 과정에서 답이 틀린 경우 [하] : [상], [중]을 제외한 나머지 경우

[3-1]1≤k≤35\displaystyle 1\leq k\leq35일 때, k\displaystyle k번째 대각선의 i\displaystyle i번째 숫자는 1+35(k−1)−34(i−1)\displaystyle 1+35(k-1)-34(i-1)임을 알 수 있다. (단, 1≤i≤k\displaystyle 1\leq i\leq k).한편, k\displaystyle k번째 대각선의 i\displaystyle i번째 숫자는 n=1+2+⋯+(k−1)+i=k(k−1)2+i\displaystyle n=1+2+\cdots+(k-1)+i=\frac{k(k-1)}2+i번째 숫자이다.따라서, k\displaystyle k번째 대각선의 마지막 숫자는 k\displaystyle k이며, n=(k−1)k2+k=k(k+1)2\displaystyle n=\frac{(k-1)k}2+k=\frac{k(k+1)}2 번째 숫자이다.n=300\displaystyle n=300인 숫자가 위치한 대각선을 찾으려면 k(k+1)2≤300\displaystyle \frac{k(k+1)}2\leq300을 만족하는 최대의 k\displaystyle k를 구하면 된다.Comment. 일반적으로는 k(k+1)2≥n\displaystyle \frac{k(k+1)}2\geq n을 만족하는 가장 작은 k\displaystyle k를 구한다. 여기서는 300=24×252\displaystyle 300=\frac{24\times25}2이므로 결과가 같다.그런데 k=24\displaystyle k=24일 때, k(k+1)2=24×252=300\displaystyle \frac{k(k+1)}2=\frac{24\times25}2=300이므로, n=300\displaystyle n=300은 k=24\displaystyle k=24번째 대각선의 i=24\displaystyle i=24번째 숫자이므로 1+35×23−34×23=24\displaystyle 1+35\times23-34\times23=24이다.따라서, f(300)=24\displaystyle f(300)=24이다.

+10점 · [3-2] [상] : 규칙에 근거해서 자명한 1, 1225를 제외한 5개 이상을 찾은 경우 [중] : 규칙에 근거해서 117, 225, 613, 1001, 1109 다섯 개 중에서 순서에 관계없이 2~4개를 구한 경우 [하] : [상], [중]을 제외한 나머지 경우

[3-2]위와 같이 1≤k≤35\displaystyle 1\leq k\leq35일 때, k\displaystyle k번째 대각선의 i\displaystyle i번째 숫자는 n=k(k−1)2+i\displaystyle n=\frac{k(k-1)}2+i번째 숫자이다.그런데, k\displaystyle k번째 대각선의 i\displaystyle i번째 숫자는 1+35(k−1)−34(i−1)\displaystyle 1+35(k-1)-34(i-1)이므로 f(n)=n\displaystyle f(n)=n을 만족하려면 k(k−1)2+i=1+35(k−1)−34(i−1)\displaystyle \frac{k(k-1)}2+i=1+35(k-1)-34(i-1)이어야 한다.이를 정리하면 k(k−1)2=35(k−i)\displaystyle \frac{k(k-1)}2=35(k-i)이므로, k(k−1)=70(k−i)\displaystyle k(k-1)=70(k-i)이 되어 k(k−1)\displaystyle k(k-1)이 70\displaystyle 70의 배수여야 한다. 1≤k≤35\displaystyle 1\leq k\leq35의 범위 안에서 k(k−1)\displaystyle k(k-1)이 70=2×5×7\displaystyle 70=2\times5\times7의 배수가 되는 k\displaystyle k는 k=1,15,21,35\displaystyle k=1,15,21,35뿐이다.이 때 i=k−k(k−1)70\displaystyle i=k-\frac{k(k-1)}{70}는 각각 i=1,12,15,18\displaystyle i=1,12,15,18이므로 n=k(k−1)2+i\displaystyle n=\frac{k(k-1)}2+i는 각각 n=1,117,225,613\displaystyle n=1,117,225,613이다.대칭적으로 생각하여, 1≤k<35\displaystyle 1\leq k<35일 때, (70−k)\displaystyle (70-k)번째 대각선의 뒤에서 i\displaystyle i번째 숫자는 1225−35(k−1)+34(i−1)\displaystyle 1225-35(k-1)+34(i-1)이다. (단, 1≤i≤k\displaystyle 1\leq i\leq k).또한 (70−k)\displaystyle (70-k)번째 대각선의 뒤에서 i\displaystyle i번째 숫자는 n=1225−k(k−1)2−(i−1)\displaystyle n=1225-\frac{k(k-1)}2-(i-1)번째 숫자이다.따라서 f(n)=n\displaystyle f(n)=n을 만족하려면1225−35(k−1)+34(i−1)=1225−k(k−1)2−(i−1)\displaystyle 1225-35(k-1)+34(i-1)=1225-\frac{k(k-1)}2-(i-1)이어야 한다.이를 정리하면 k(k−1)2=35(k−i)\displaystyle \frac{k(k-1)}2=35(k-i)이 되므로, 이를 만족하는 (k,i)\displaystyle (k,i)쌍은 위의 계산에 의하여 (1,1), (15,12), (21,15)\displaystyle (1,1),\ (15,12),\ (21,15)이고, n=1225−k(k−1)2−(i−1)\displaystyle n=1225-\frac{k(k-1)}2-(i-1)은 각각 n=1225,1109,1001\displaystyle n=1225,1109,1001이 된다.따라서, f(n)=n\displaystyle f(n)=n이 되는 모든 n\displaystyle n은 n=1,117,225,613,1001,1109,1225\displaystyle n=1,117,225,613,1001,1109,1225이다.

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