공통수학2집합AI심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

나눗셈에 닫힌 집합의 원소 개수

문제

양의 실수를 원소로 하는 집합 AA가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 4A4 \in A, 32A32 \in A (나) xAx \in A, yAy \in A이면 xyA\displaystyle \frac{x}{y} \in A이다. (다) 조건 (가), (나)를 모두 만족시키는 AA의 진부분집합은 없다.

집합 AA의 원소 중 11 이상 100100 이하인 것의 개수를 구하시오. [4점]

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해설

조건 (나)에서 324=8A\displaystyle \frac{32}{4} = 8 \in A, 84=2A\displaystyle \frac{8}{4} = 2 \in A, 44=1A\displaystyle \frac{4}{4} = 1 \in A이다. 12A\displaystyle \frac{1}{2} \in A이고 2÷12=4\displaystyle 2 \div \frac{1}{2} = 4, 4÷12=8\displaystyle 4 \div \frac{1}{2} = 8, 8÷12=16\displaystyle 8 \div \frac{1}{2} = 16, \cdots 이므로 2n2 ^{n} (nn은 자연수)은 모두 AA의 원소이다. 또 12nA\displaystyle \frac{1}{2 ^{n}} \in A이므로 2n2 ^{n} (nn은 정수) 꼴의 수는 모두 AA의 원소이다. 이 수 전체의 집합을 PP라 하면 PAP \subset A이다. 한편 PP44, 3232를 원소로 갖고 2m2n=2mn\displaystyle \frac{2 ^{m}}{2 ^{n}} = 2 ^{m - n}이므로 조건 (가), (나)를 모두 만족시킨다. 조건 (다)에 의하여 A=PA = P이다. 따라서 AA의 원소 중 11 이상 100100 이하인 것은 1,2,4,8,16,32,641 , 2 , 4 , 8 , 16 , 32 , 6477개이다.

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