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폴리매스 문제
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[대한수학회] 대49. 제 33회 한국수학올림피아드 변형 문제
수학동아 2020.12.30 11:43 조회 1702

문제 0. 제 33회 한국수학올림피아드 최종시험 4번 문제

모든 양의 정수가 다음 수열에 정확 히 한 번 등장하도록 하는 양의 실수의 순서쌍 (α, β)가 존재하는가? 존재한다면 순서쌍을 모두 구하고, 그렇지 않다면 순서쌍이 존재하지 않음을 보여라.

 

2020, [\alpha ], [\beta ], 4040, [2\alpha ], [2\beta], 6060, [3\alpha ], [3\beta ], 8080, [4\alpha ], [4\beta ], . . .

(단, [x]x를 넘지 않는 최대 정수)

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두 실수 \alpha(\geq 1)\beta에 대하여 S(\alpha ,\beta )를 다음과 같이 정의하자.

S(\alpha ,\beta ) = {[\alpha +\beta ], [2\alpha +\beta ], [3\alpha +\beta ], [4\alpha +\beta ], . . .}

변형 문제 1. 

두 집합 S(\alpha _{1}, 0)S(\alpha _{2}, 0)이 자연수 집합의 분할이 되는 두 실수의 쌍 (\alpha _{1}, \alpha _{2})이 존재하 는가? 존재한다면 순서쌍을 모두 구하고, 그렇지 않다면 순서쌍이 존재하지 않음을 보여라.

 

변형 문제 2.

세 집합 S(\alpha _{1}, 0), S(\alpha _{2}, 0), S(\alpha _{3}, 0)이 자연수 집합의 분할이 되는 세 실수의 쌍 (\alpha _{1}, \alpha_{2}, \alpha _{3}) 이 존재하는가? 존재한다면 순서쌍을 모두 구하고, 그렇지 않다면 순서쌍이 존재하지 않음을 보여라.

 

변형 문제 3.

자연수 m\geq 3일 때, 집합 S(\alpha _{1}, \beta _{1}), S(\alpha _{2}, \beta _{2}), . . ., S(\alpha _{m}, \beta _{m})이 자연수 집합의 분할이 되는 경우가 존재하는가? 존재한다면 순서쌍을 모두 구하고, 그렇지 않다면 순서쌍이 존재하지 않음을 보여라.

 

변형 문제 4.

자연수 m\geq 3이고 \alpha _{1}\leq \alpha _{2}\leq ...\leq \alpha _{m}이 모두 유리수일 때, 집합 S(\alpha _{1}, \beta _{1}), S(\alpha _{2}, \beta _{2}), . . ., S(\alpha _{m}, \beta _{m})이 자연수 집합의 분할이 되는 경우가 존재하는가? 존재한다면 순서쌍을 모두 구하고, 그렇지 않다면 순서쌍이 존재하지 않음을 보여라.

 

  •  
    수좋학 Lv.5 2021.01.04 17:33

    아.........

    어떤 문제인지 설명해 주실수 있나요?(제가 이해가 안되서요.....)

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  •  
    파스칼 Lv.7 2021.01.08 11:25

    1번 문제를 풀려고 했는데 생각보다 진전이 없어서 아이디어로 공유합니다.

    기본적으로 4문제 모두 충분히 큰 n에 대해 1부터 n까지에서 집합들이 갖는 밀도를 생각해 보면 \frac{1}{\alpha _1}+\frac{1}{\alpha _2}+...=1입니다.

    또한 1,2번 문제에서 모든 a_i는 1보다 크며, 1 이상 2 미만의 a_i가 존재해야 합니다.

    1. 위 2가지 성질에 의해 0 이상 1이하의 a에 대해 \alpha _1=1+a\alpha _2=1+\frac{1}{a}로 놓을 수 있습니다.

    이때 a가 유리수일 경우 간단히 a=p/q로 놓으면 q\alpha_1=p\alpha_2에서 조건을 만족할 수 없습니다.

    a가 무리수일 경우를 보겠습니다. 임의의 1이 아니고 서로소인 두 자연수 p,q(p<q)에 대하여, 베주 항등식에 의해 qy-px=1을 만족하며 x<q, y<p인 자연수 x,y가 존재합니다. 이때 p,q에 대해 \epsilon<\frac{1}{p}를 만족하며 a=\frac{p}{q-\epsilon } 또는 \frac{1}{a}=\frac{p}{q-\epsilon }가 되는 p,q,\epsilon이 존재할 것이라고 생각합니다.

    일반성을 잃지 않고, \alpha _1=\frac{p+q-\epsilon }{p}\alpha _2=\frac{p+q-\epsilon }{q-\epsilon }라 놓겠습니다. 또한 위 조건에 의해 x,y를 잡으면, \epsilon<\frac{1}{p}에서 \epsilon<\frac{q}{px+1}이며 즉 \frac{x}{q-\epsilon}-\frac{x}{q}<\frac{1}{pq}입니다.

    따라서 이 식과 x,y의 조건식 \frac{y}{p}-\frac{x}{q}=\frac{1}{pq}로부터 0<\frac{y}{p}-\frac{x}{q-\epsilon }<\frac{1}{pq}이며, 0<y\alpha _1-x\alpha _2<\frac{p+q-\epsilon }{pq}입니다.

    이때 \left \lfloor y\alpha _1 \right \rfloor \neq \left \lfloor x\alpha _2 \right \rfloor이기 위해서는 y\alpha _1 -\left \lfloor y\alpha _1 \right \rfloor <\frac{p+q-\epsilon }{pq}가 되어야 하는데, 저는 여기에서 모순을 찾아 ya1과 xa2의 정수부분이 같음을 보이고자 했습니다.

    너무 풀이가 문제에 짜 맞추는 느낌이 있는데.. 아이디어가 더 필요할 듯합니다

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    •  
      구머 Lv.5 2021.02.26 19:14

      (진짜 오랜만에 온 폴리매스)

      아랫분 댓글에서  \frac{1}{\alpha _{1}} + \frac{1}{\alpha _{2}}=1  식이 어떤 의미인가 싶었는데, 숫자의 밀도로 생각을 하니 딱 맞아떨어지네요 ㄷㄷ. Sait2000님이 주신 링크를 보면 해당 정수부분이 놀랍게도 하나도 안겹치는게 증명이 되어있는 것 같습니다. 참고 바랍니당

      좋아요0
    •  
      파스칼 Lv.7 2021.02.27 15:17

      확인했습니다!

      처음에 답 자체를 잘못 추정했네요

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  •  
    Sait2000 Lv.3 2021.02.17 12:18

    1번 문제는 웰노운 Beatty sequence입니다. \alpha_1과 \alpha_2가 무리수이고 1 / \alpha_1 + 1 / \alpha_2 = 1일 때 성립함이 잘 알려져 있다고 개인적으로 생각합니다. 증명은 영문 위키백과에 간단한 증명이 있는 것 같습니다. https://en.wikipedia.org/wiki/Beatty_sequence

     

    2번 문제는 \alpha가 3개 이상일 때 불가능함이 알려져 있다고 합니다. 증명은 영문 위키백과에 링크되어있는 것 같습니다. http://www.math.ucsd.edu/~fan/ron/papers/63_01_uspensky.pdf

    증명을 적당히 요약하면, 일반성을 잃지 않고 \alpha_1 < \alpha_2 < ... 라고 할 때, \lfloor \alpha_1 \rfloor = 1이어야 합니다.

    이때 S(\alpha_1, 0)에서 처음으로 빠진 수를 m이라고 하면, 빠진 수가 그 뒤로 m 또는 m + 1마다 하나씩 나옴을 보입니다.

    그리고 그 m은 S(\alpha_2, 0)이 채우게 되는데, 이렇게 되면 S(\alpha_2, 0)가 채우는 수도 역시 m이나 m + 1마다 하나씩 나오게 됩니다.

    이때 S(\alpha_1, 0)과 S(\alpha_2, 0)이 겹치지 않으려면 1의 빈칸에 2가 들어가야만 하는데, 그러면 자연수가 꽉 차게 되고 \alpha가 3개 이상이 될 수가 없습니다.

     

    3, 4번 문제는 모르겠습니다. 존재함은 간단히 보일 수 있습니다. 그냥 S(3, -2) S(3, -1) S(3, 0) 하면 됩니다. 다 구하는 건 간단하지 않을 것 같습니다.

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    •  
      Sait2000 Lv.3 2021.02.17 12:43

      4번에 대해서, 모든 \alpha들의 공배수 중 가장 작은 자연수를 생각합니다. 말이 좀 이상하지만 정의를 안 해도 뭔지는 다 아실 거라고 생각합니다. 이 자연수를 주기이니까 T라고 합시다. 그러면 a \in S(\alpha_i, \beta_i)에 대해 a + T \in S(\alpha_i, \beta_i)입니다. 따라서 T를 고정하면 문제를 T로 나눈 나머지에서 풀 수 있습니다. 뭔가 등차수열로 정수 덮기 문제랑 비슷한 거 같은데 \alpha가 정수가 아닐 때가 좀 그렇네요.

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    •  
      파스칼 Lv.7 2021.02.27 15:16

      1번이 당연히 불가능할 거라고 생각하고 유리수에서는 쉬운데 무리수에서는 왜 증명이 어려운지 한달간 고민했어요

      풀리지 않는 이유가 있었네요^^

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    •  
      파스칼 Lv.7 2021.02.27 22:08

      3,4 번 저도 그 생각을 했는데, 잘은 모르지만 아마 출제하신 분이 beta가 양수라는 조건을 빠트리신 게 아닌가 싶습니다!

      아니라면 실수이고 유리수이고의 조건이 별로 차이가 없기 때문에..

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    퍼즐-Scratch Lv.5 2021.03.02 09:49

    Sait2000님이 소개해 주신 것과 같은 증명을 Problem-Solving Strategies에서 찾아서 공유해봅니다 ㅎㅎ

    정수를 무리수에 곱했을 때 정수가 되지 않으므로, 오히려 자연수 집합을 분할 할 수 있다는 것이 신기하네요~

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