수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3, 단답형] 자연수 n\displaystyle n에 대하여 nk\displaystyle nk가 2025\displaystyle 2025의 배수가 되도록 하는 자연수 k\displaystyle k 중에서 가장 작은 수를 f(n)\displaystyle f(n)이라 하자. 함수 f(n)\displaystyle f(n)에 대해 다음 물음에 답하시오.

[문제 3-1] f(n)=f(n2)\displaystyle f(n)=f(n^{2})이 되도록 하는 2025\displaystyle 2025 이하의 자연수 n\displaystyle n의 개수를 구하시오. [8점]

[문제 3-2] f(f(n))<n\displaystyle f(f(n))<n이 되도록 하는 2025\displaystyle 2025 이하의 자연수 n\displaystyle n의 개수를 구하시오. [7점]

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[문제 3-1] d=gcd⁡(n,2025)\displaystyle d=\gcd(n,2025)라 하고 n=du\displaystyle n=du, 2025=dv\displaystyle 2025=dv라 하면 u\displaystyle u와 v\displaystyle v는 서로소이다.nk\displaystyle nk가 2025\displaystyle 2025의 배수일 필요충분조건은 uk\displaystyle uk가 v\displaystyle v의 배수인 것이다.u\displaystyle u와 v\displaystyle v가 서로소이므로 이는 k\displaystyle k가 v\displaystyle v의 배수인 것과 같다.따라서 가장 작은 자연수 k\displaystyle k는 v\displaystyle v이므로f(n)=2025gcd⁡(n,2025)\displaystyle f(n)=\frac{2025}{\gcd(n,2025)}이다.

2025=3452\displaystyle 2025=3^{4}5^{2}이고 n=3α5βm\displaystyle n=3^{\alpha}5^{\beta}m이라 하자.여기서 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 음이 아닌 정수이고 m\displaystyle m은 15\displaystyle 15와 서로소인 자연수이다.a\displaystyle a와 b\displaystyle b 중 크지 않은 값을 min⁡(a,b)\displaystyle \min(a,b)라 하면gcd⁡(n,2025)=3min⁡(α,4)5min⁡(β,2)gcd⁡(n2,2025)=3min⁡(2α,4)5min⁡(2β,2)\displaystyle \begin{aligned}\gcd(n,2025)&=3^{\min(\alpha,4)}5^{\min(\beta,2)}\\\gcd(n^{2},2025)&=3^{\min(2\alpha,4)}5^{\min(2\beta,2)}\end{aligned}따라서 f(n)=f(n2)\displaystyle f(n)=f(n^{2})일 필요충분조건은α=0 또는 α≥4,β=0 또는 β≥2\displaystyle \alpha=0\text{ 또는 }\alpha\ge4,\qquad\beta=0\text{ 또는 }\beta\ge2이다.

1≤n≤2025\displaystyle 1\le n\le2025에서(i) 3\displaystyle 3의 배수도 5\displaystyle 5의 배수도 아닐 때: 2025−675−405+135=1080\displaystyle 2025-675-405+135=1080개(ii) 81\displaystyle 81의 배수이면서 5\displaystyle 5의 배수가 아닐 때: 25−5=20\displaystyle 25-5=20개(iii) 25\displaystyle 25의 배수이면서 3\displaystyle 3의 배수가 아닐 때: 81−27=54\displaystyle 81-27=54개(iv) 81\displaystyle 81과 25\displaystyle 25의 공배수일 때: n=2025\displaystyle n=2025의 1\displaystyle 1개이 네 경우는 서로 겹치지 않으므로 구하는 개수는1080+20+54+1=1155\displaystyle 1080+20+54+1=1155이다.

[문제 3-2] 다시 d=gcd⁡(n,2025)\displaystyle d=\gcd(n,2025)라 하자.d\displaystyle d는 n\displaystyle n과 2025\displaystyle 2025의 최대공약수이므로 2025=dq\displaystyle 2025=dq로 둘 수 있고,이때 q=2025/d\displaystyle q=2025/d는 2025\displaystyle 2025의 약수이다.앞에서 구한 식에 따라 f(n)=q\displaystyle f(n)=q이다.q\displaystyle q가 2025\displaystyle 2025의 약수이므로 q\displaystyle q와 2025\displaystyle 2025의 최대공약수는 q\displaystyle q 자체이다.따라서f(f(n))=2025gcd⁡(q,2025)=2025q=d=gcd⁡(n,2025)\displaystyle \begin{aligned}f(f(n))&=\frac{2025}{\gcd(q,2025)}\\&=\frac{2025}{q}=d=\gcd(n,2025)\end{aligned}이다.

d=gcd⁡(n,2025)\displaystyle d=\gcd(n,2025)는 n\displaystyle n의 약수이므로어떤 자연수 m\displaystyle m에 대하여 n=dm\displaystyle n=dm으로 쓸 수 있다.따라서 d≤n\displaystyle d\le n이고,d=n\displaystyle d=n인 경우는 m=1\displaystyle m=1, 즉 n=d\displaystyle n=d인 경우이다.그런데 d=gcd⁡(n,2025)\displaystyle d=\gcd(n,2025)이므로n=d\displaystyle n=d일 필요충분조건은 n\displaystyle n이 2025\displaystyle 2025의 약수인 것이다.따라서 f(f(n))<n\displaystyle f(f(n))<n일 필요충분조건은 n\displaystyle n이 2025\displaystyle 2025의 약수가 아닌 것이다.

2025=3452\displaystyle 2025=3^{4}5^{2}의 양의 약수는 (4+1)(2+1)=15\displaystyle (4+1)(2+1)=15개이다.따라서 구하는 자연수의 개수는2025−15=2010\displaystyle 2025-15=2010이다.

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