서로소인 두 수의 존재를 보이는 귀류법
문제
부터 까지의 자연수 중에서 서로 다른 개를 어떻게 택하여도 그중 서로소인 두 수가 반드시 존재한다고 한다. 다음은 이러한 자연수 의 최솟값이 임을 증명한 것이다.
[증명] (ⅰ) 부터 까지의 자연수 중 이상의 짝수 (가) 개를 모두 택하면 어느 두 수도 서로소가 아니다. 따라서 은 (가) 보다 크다. (ⅱ) 서로 다른 (나) 개를 택하였을 때 그중 어느 두 수도 서로소가 아니라고 가정하자. 연속한 두 자연수 , 의 공약수는 의 약수이므로 뿐이다. 즉 연속한 두 자연수는 서로소이다. 부터 까지의 자연수를 , , 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 (나) 이다.
위의 증명에서 (가), (나), (다)에 알맞은 세 수의 합을 구하시오. [4점]
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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) 부터 까지의 짝수는 , , 부터 까지 개이고 이들은 모두 를 공약수로 가지므로 어느 두 수도 서로소가 아니다. 따라서 (가)는 이고 이다. (ⅱ) 부터 까지를 연속한 두 수끼리 짝지으면 개의 쌍이 생기므로 (다)는 이다. 개의 쌍에서 개의 수를 택하면 같은 쌍의 두 수를 모두 택하게 되고, 이 두 수는 연속한 자연수이므로 서로소이다. 즉 개를 택하면 반드시 서로소인 두 수가 존재하므로 (나)는 이고 이다. 따라서 (가), (나), (다)의 합은