AMC 10 · 2003 · #20

학년 11 counting
combinations-basicfundamental-counting-principlecombinatorial-identity caseworkidentify-subproblems ↑ 선수 지식: combinations-basic
📏 긴 풀이 💡 3 개 인사이트
문제
A 다섯 개, B 다섯 개, C 다섯 개로 15글자 문자열을 만든다. 이 문자열을 다섯 글자씩 세 덩어리로 나눈다. 첫 덩어리에는 A가 없고, 둘째 덩어리에는 B가 없고, 셋째 덩어리에는 C가 없어야 한다. 이런 문자열이 몇 개인지 세어, 주어진 다섯 식 중 하나와 맞추어라.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
$\sum_{k=0}^{5}\binom{5}{k}^{3}$
(B)
$3^{5}\cdot 2^{5}$
(C)
$2^{15}$
(D)
$\frac{15!}{(5!)^{3}}$
(E)
$3^{15}$
풀이 과정
전략 변수 도입하기

조건이 모두 금지이므로 먼저 허용으로 뒤집는다(도구 #16). 그러면 모든 덩어리가 두 글자만 쓰게 되어, 각 덩어리는 '자리를 고르는' 단순한 일이 된다. 그다음 문제 전체가 수 하나 — 덩어리 1에 들어가는 B의 개수 — 에 달려 있으므로 그것을 k라 부르고(도구 #4) 따라 나오는 결과를 쫓는다. 각 글자를 전체에서 정확히 다섯 번 써야 한다는 조건이 나머지 개수를 모두 강제하고, 그러면 세 덩어리가 서로 간섭하지 않는 작은 문제 세 개가 되어 답이 곱해진다(도구 #7). k가 다르면 문자열도 다르므로 k=0,1,…,5의 여섯 경우를 나열해 더한다(도구 #2). 마지막에 나머지 네 식과 수로 비교하는 것(도구 #3)은 유도한 식을 검산하는 절차이지 답을 정하는 근거가 아니다.

1STEP 1

금지를 두 글자 차림표로 바꾸기

각 금지는 두 글자 차림표를 남기므로 각 덩어리는 두 글자만으로 이뤄진다.

덩어리 1 ∈ {B,C}, 덩어리 2 ∈ {C,A}, 덩어리 3 ∈ {A,B}
2STEP 2

수 하나가 문자열 전체를 지배한다

한 개수를 k라 하면 나머지 개수가 모두 강제되고 합계도 맞아떨어진다.

덩어리 1: k개의 B, (5-k)개의 C; 덩어리 2: (5-k)개의 A, k개의 C; 덩어리 3: k개의 A, (5-k)개의 B
3STEP 3

k를 고정했을 때의 배열 세기

그러면 각 덩어리는 자리 고르기이므로 고정된 k는 C(5,k)의 세제곱을 기여한다.

C(5, k)·C(5, k)·C(5, k)=C(5, k)³
4STEP 4

여섯 경우 더하기

k의 여섯 값은 겹치지 않으므로 전체는 그 이다.

총합=Σ_k=0⁵C(5, k)³
5STEP 5

나머지 식들과 대조하기

계산하면 2252로 다른 식과 맞지 않으므로 답은 세제곱의 합, 보기 (A).

Σ_k=0⁵C(5, k)³=2(1+125+1000)=2252
정답
Σ_k=0⁵C(5, k)³
문제를 줄여서 손으로 세어 보자. 글자를 종류당 하나씩 두고 덩어리 크기를 1로 하면, 조건은 1번 자리가 A가 아니고 2번 자리가 B가 아니고 3번 자리가 C가 아니라는 뜻이다. 이는 A, B, C의 완전순열이고 BCA와 CAB 두 개뿐이다. 식은 Σ_k=0¹C(1, k)³=1+1=2로 일치한다. 종류당 둘씩 두고 덩어리 크기를 2로 하면 직접 세어 10이 나오고 식은 C(2, 0)³+C(2, 1)³+C(2, 2)³=1+8+1=10으로 또 일치한다. 양 끝도 말이 된다. k=0이면 덩어리 1은 전부 C, 덩어리 2는 전부 A, 덩어리 3은 전부 B로 문자열이 딱 하나이고 C(5, 0)³=1이다. k=5도 마찬가지다. 끝으로 2252는 제한이 없을 때의 총수 756756보다 한참 작은데, 제한이 붙은 개수라면 당연히 그래야 한다.
💡핵심 정리

덩어리마다 빠진 글자가 다르면 개수 하나가 나머지를 전부 결정한다. 그 개수를 정하고 세 덩어리의 선택을 곱한 뒤, 가능한 값마다 더하면 된다.

  • 금지를 두 글자 차림표로 바꾸기
  • 수 하나가 문자열 전체를 지배한다
  • k를 고정했을 때의 배열 세기
  • 여섯 경우 더하기
  • 나머지 식들과 대조하기