공통수학2명제AI킬러 문제 (22·30번 수준)

서로소인 두 수의 존재를 보이는 귀류법

문제

11부터 3030까지의 자연수 중에서 서로 다른 kk개를 어떻게 택하여도 그중 서로소인 두 수가 반드시 존재한다고 한다. 다음은 이러한 자연수 kk의 최솟값이 mm임을 증명한 것이다.

[증명] (ⅰ) 11부터 3030까지의 자연수 중 22 이상의 짝수 (가) 개를 모두 택하면 어느 두 수도 서로소가 아니다. 따라서 mm은 (가) 보다 크다. (ⅱ) 서로 다른 (나) 개를 택하였을 때 그중 어느 두 수도 서로소가 아니라고 가정하자. 연속한 두 자연수 nn, n+1n + 1의 공약수는 (n+1)n=1( n + 1 ) - n = 1의 약수이므로 11뿐이다. 즉 연속한 두 자연수는 서로소이다. 11부터 3030까지의 자연수를 {1,2}\left\{ 1 , 2 \right\}, {3,4}\left\{ 3 , 4 \right\}, {5,6}\left\{ 5 , 6 \right\} 와 같이 연속한 두 수끼리 짝지으면 (다) 개의 쌍이 생기고, 택한 수가 (나) 개이므로 같은 쌍에 속하는 두 수를 모두 택한 경우가 반드시 있다. 이 두 수는 서로소이므로 가정에 모순이다. (ⅰ), (ⅱ)에서 m=m = (나) 이다.

위의 증명에서 (가), (나), (다)에 알맞은 세 수의 합을 구하시오. [4점]

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46

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해설

실마리: 서로소인 두 수가 없도록 택할 수 있는 개수의 최대를, 짝수만 택하는 예(아래 경계)와 연속한 두 수의 쌍(위 경계)으로 조인다. (ⅰ) 11부터 3030까지의 짝수는 22, 44, 66부터 3030까지 1515개이고 이들은 모두 22를 공약수로 가지므로 어느 두 수도 서로소가 아니다. 따라서 (가)는 1515이고 m>15m > 15이다. (ⅱ) 11부터 3030까지를 연속한 두 수끼리 짝지으면 30÷2=1530 \div 2 = 15개의 쌍이 생기므로 (다)는 1515이다. 1515개의 쌍에서 1616개의 수를 택하면 같은 쌍의 두 수를 모두 택하게 되고, 이 두 수는 연속한 자연수이므로 서로소이다. 즉 1616개를 택하면 반드시 서로소인 두 수가 존재하므로 (나)는 1616이고 m=16m = 16이다. 따라서 (가), (나), (다)의 합은 15+16+15=4615 + 16 + 15 = 46

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