확률과 통계순열과 조합수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

방정식 해의 개수 빈칸

문제

자연수 nn에 대하여 2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n을 만족시키는 음이 아닌 정수 a,b,c,da , b , c , d의 모든 순서쌍 (a,b,c,d)( a , b , c , d )의 개수를 ana _{n}이라 하자. 다음은 n=18an\displaystyle \sum\limits _{n=1} ^{8} a _{n}의 값을 구하는 과정이다. 음이 아닌 정수 a,b,c,da , b , c , d2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n을 만족시키려면 음이 아닌 정수 kk에 대하여 c+d=2kc + d = 2 k이어야 한다. c+d=2kc + d = 2 k인 경우는 ⑴ 음이 아닌 정수 k1,k2k _{1} , k _{2}에 대하여 c=2k1,d=2k2c = 2 k _{1} , d = 2 k _{2}인 경우이거나 ⑵ 음이 아닌 정수 k3,k4k _{3} , k _{4}에 대하여 c=2k3+1,d=2k4+1c = 2 k _{3} + 1 , d = 2 k _{4} + 1인 경우이다.

c=2k1,d=2k2c = 2 k _{1} , d = 2 k _{2}인 경우 : 2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n을 만족시키는 음이 아닌 정수 a,b,c,da , b , c , d의 모든 순서쌍 (a,b,c,d)( a , b , c , d )개수는 ()\square {( \text{가} )}이다.

c=2k3+1,d=2k4+1c = 2 k _{3} + 1 , d = 2 k _{4} + 1인 경우 : 2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n을 만족시키는 음이 아닌 정수 a,b,c,da , b , c , d의 모든 순서쌍 (a,b,c,d)( a , b , c , d )개수는 ()\square {( \text{나} )}이다.

⑴, ⑵에 의하여 2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n을 만족시키는 음이 아닌 정수 a,b,c,da , b , c , d의 모든 순서쌍 (a,b,c,d)( a , b , c , d )의 개수 ana _{n}an=a _{n} =()\square {( \text{가} )}++()\square {( \text{나} )} 이다. 자연수 mm에 대하여 n=1m()=m+3C4\displaystyle \sum\limits _{n=1} ^{m} \square {( \text{나} )} = _{m+3} {\mathrm{C} _{4}} 이므로 n=18an=()\displaystyle \sum\limits _{n=1} ^{8} a _{n} = \square {( \text{다} )} 이다.

위의 (가), (나)에 알맞은 식을 각각 f(n),g(n)f ( n ) , g ( n )이라 하고, (다)에 알맞은 수를 rr이라 할 때, f(6)+g(5)+rf ( 6 ) + g ( 5 ) + r의 값은? [4점]

893893918918943943968968993993

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해설

c=2k1,d=2k2c = 2 k _{1} , d = 2 k _{2}2a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n에 대입하면, 2a+2b+2k1+2k2=2n2 a + 2 b + 2 k _{1} + 2 k _{2} = 2 n에서 a+b+k1+k2=na + b + k _{1} + k _{2} = n를 만족하는 음이 아닌 정수의 순서쌍의 개수는 4Hn{}_{4} \mathrm{H} _{n}이다. (가) 4Hn{}_{4} \mathrm{H} _{n} 에서 f(6)=4H9=9C3=84f ( 6 ) = _{4} \mathrm{H} _{9} = _{9} \mathrm{C} _{3} = 84 \cdotsc=2k3+1,d=2k4+1c = 2 k _{3} + 1 , d = 2 k _{4} + 12a+2b+c+d=2n2 a + 2 b + c + d = 2 n에 대입하면, 2a+2b+2k3+2k4=2n22 a + 2 b + 2 k _{3} + 2 k _{4} = 2 n - 2에서 a+b+k3+k4=n1a + b + k _{3} + k _{4} = n - 1를 만족하는 음이 아닌 정수의 순서쌍의 개수는 4Hn1{}_{4} \mathrm{H} _{n-1}이다. (나) 4Hn1{}_{4} \mathrm{H} _{n-1} 에서 g(5)=4H4=7C3=35g ( 5 ) = _{4} \mathrm{H} _{4} = _{7} \mathrm{C} _{3} = 35 \cdotsn=1m()=n=1m4Hn1=3C3+4C3+5C3++m+2C3=m+3C4\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{m} ( \text{나} ) = \sum\limits _{n = 1} ^{m} {}_{4} \mathrm{H} _{n-1} = _{3} \mathrm{C} _{3} + _{4} \mathrm{C} _{3} + _{5} \mathrm{C} _{3} + \cdots + _{m+2} \mathrm{C} _{3} = _{m+3} C _{4}에서 n=1m()=n=1m4Hn=4C3+5C3++m+3C3=m+4C41\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{m} ( \text{가} ) = \sum\limits _{n = 1} ^{m} {}_{4} \mathrm{H} _{n} = _{4} \mathrm{C} _{3} + _{5} \mathrm{C} _{3} + \cdots + _{m+3} \mathrm{C} _{3} = _{m+4} C _{4} - 1임을 알 수 있다. 따라서, n=18an=12C41+11C4=824\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{8} a _{n} = _{12} \mathrm{C} _{4} - 1 + _{11} \mathrm{C} _{4} = 824이다. r=824r = 824 \cdots ③ ①, ②, ③에 의해 f(6)+g(5)+r=943f ( 6 ) + g ( 5 ) + r = 943

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