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2027학년도 6월 모의평가 수학 22번 풀이·해설

수열정답 32 · 평가원 정답표 검증 완료

어떤 문제인가

이 문제는 주어진 독특한 관계식(귀납적 정의)을 만족하는 수열에서, 특정 값($a_k = 10$)을 갖는 항의 개수를 찾는 문제입니다.

이 문제를 해결하기 위해 사용할 핵심 개념은 다음과 같습니다:

단계별 풀이

1단계: 처음 몇 개의 항을 구하며 규칙 탐색하기

먼저 주어진 식을 이용해 앞부분의 항들을 직접 구해봅시다.

이제 관계식을 적용해 봅시다.

이 식들을 이용해 $a_1$부터 $a_{16}$까지 구해볼게요.

2단계: 인덱스를 거꾸로 줄여 가며 규칙 발견하기

위 계산에서 우리가 실제로 한 일은 인덱스에 다음 세 가지 연산 중 하나를 적용하는 것이었습니다.

이번에는 방향을 뒤집어, 어떤 자연수 $k$에서 출발해 인덱스를 거꾸로 줄여 봅시다. 자연수 $k$를 4로 나눈 나머지를 보면 줄이는 방법이 매 단계 단 하나로 정해집니다.

한 번 줄일 때마다 인덱스는 반드시 작아지므로 이 과정은 언젠가 멈추는데, 더 이상 줄일 수 없는 인덱스는 $1$과 $3$ 둘뿐입니다. $k=1$은 위 세 꼴 어디에도 해당하지 않고, $k=3$은 $3 = 4 \times 0 + 3$이어서 $n=0$이 되는데 $0$은 자연수가 아니므로 관계식을 되돌려 쓸 수 없기 때문입니다.

1단계에서 구한 값으로 확인해 봅시다.

이제 이 과정을 다시 뒤집으면, 모든 자연수 $k$는 시작점 $1$ 또는 $3$에서 출발해 위 세 연산을 차례로 적용한 결과로 딱 한 가지 방법으로 만들어진다는 것을 알 수 있습니다. 거꾸로 줄이는 방법이 매 단계 하나뿐이었으므로, 서로 다른 연산 순서는 반드시 서로 다른 $k$를 만들고 같은 $k$가 두 번 만들어지는 일도 없습니다.

시작점은 다음 두 가지입니다:

어떤 수 $k$를 만들 때 사용한 연산을 셀 때:

2배 연산은 값을 $1$씩, 4배 연산은 값을 $4$씩 올리므로 $a_k$의 값은 다음과 같이 계산됩니다:

$$a_k = (\text{시작점의 값}) + 1 \times N_0 + 4 \times N_2$$

3단계: $a_k = 10$이 되는 조건 세우기

우리가 원하는 것은 $a_k = 10$이 되는 $k$의 개수입니다. 시작점에 따라 두 가지 경우로 나누어 방정식을 풀어봅시다. ($N_0, N_2$는 0 이상의 정수)

[경우 1] 시작점이 $a_1 = 1$인 경우

$$1 + N_0 + 4N_2 = 10 \implies N_0 + 4N_2 = 9$$

이 방정식을 만족하는 음이 아닌 정수 쌍 $(N_0, N_2)$를 구합니다.

[경우 2] 시작점이 $a_3 = 4$인 경우

$$4 + N_0 + 4N_2 = 10 \implies N_0 + 4N_2 = 6$$

이 방정식을 만족하는 음이 아닌 정수 쌍 $(N_0, N_2)$를 구합니다.

4단계: 각 경우의 수 계산하기

이제 각 쌍에 대해 실제로 만들 수 있는 $k$의 개수를 구해야 합니다.

2배 하는 연산은 $n \to 2n$ 한 가지뿐이지만, 4배 하는 연산은 $n \to 4n+1$과 $n \to 4n+3$의 2가지 선택지가 있습니다.

따라서 $N_2$번의 4배 연산 각각에 대해 2가지씩 선택할 수 있으므로 $2^{N_2}$를 곱해주어야 합니다.

또한, 두 종류의 연산을 어떤 순서로 적용하느냐에 따라 서로 다른 $k$가 만들어지므로, 전체 $N_0 + N_2$번의 연산 가운데 4배 연산이 들어갈 자리를 고르는 조합의 수를 함께 곱해줍니다.

[경우 1] 시작점이 $a_1$인 경우의 수

2배 연산만 9번 적용하므로, 순서를 정하는 방법은 $\binom{9}{0} = 1$가지입니다.

$$\text{경우의 수} = 1 \times 2^0 = 1$$

총 6번의 연산(4배 연산 1번, 2배 연산 5번)에서 4배 연산의 자리를 고르는 방법은 $\binom{6}{1} = 6$가지이고, 그 4배 연산은 $4n+1$ 또는 $4n+3$ 중 선택할 수 있습니다.

$$\text{경우의 수} = 6 \times 2^1 = 12$$

총 3번의 연산(4배 연산 2번, 2배 연산 1번)에서 4배 연산의 자리를 고르는 방법은 $\binom{3}{2} = 3$가지이고, 4배 연산 2번 각각에 대해 2가지씩 선택할 수 있습니다.

$$\text{경우의 수} = 3 \times 2^2 = 12$$

따라서 [경우 1]의 총 개수는 $1 + 12 + 12 = 25$개입니다.

[경우 2] 시작점이 $a_3$인 경우의 수

2배 연산만 6번 적용하므로, 순서를 정하는 방법은 $\binom{6}{0} = 1$가지입니다.

$$\text{경우의 수} = 1 \times 2^0 = 1$$

총 3번의 연산(4배 연산 1번, 2배 연산 2번)에서 4배 연산의 자리를 고르는 방법은 $\binom{3}{1} = 3$가지이고, 그 4배 연산은 2가지 선택지가 있습니다.

$$\text{경우의 수} = 3 \times 2^1 = 6$$

따라서 [경우 2]의 총 개수는 $1 + 6 = 7$개입니다.

5단계: 최종 합산

어떤 $k$든 인덱스를 거꾸로 줄여 가면 도착하는 시작점이 $1$인지 $3$인지 하나로 정해지므로 두 경우는 서로 겹치지 않습니다. 따라서 두 경우의 수를 더해줍니다.

$$\text{전체 개수} = 25 + 7 = 32$$

답

$$32$$

확인해보기

위 풀이 과정을 잘 이해했는지 스스로 점검해 봅시다.

질문: 위와 동일한 규칙을 가진 수열 $\{a_n\}$에서, $a_k = 5$를 만족시키는 자연수 $k$의 개수는 몇 개일까요? (풀이 과정의 3단계와 4단계를 적용해 스스로 구해보세요!)

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