AMC 10 · 2021 · #25

학년 6 number-theory
modular-arithmeticdivisibility-rulessystematic-enumerationcasework systematic-enumerationcasework ↑ 선수 지식: modular-arithmeticdivisibility-rules
📏 긴 풀이 💡 4 개 인사이트
문제
어떤 양의 정수를 2부터 10까지의 각 수로 나눈 아홉 개의 나머지를 모두 더한 값을 봅니다. 두 자리 수 중에서 그 값이 다음 수에서와 같아지는 것이 몇 개인지 세세요.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
0
(B)
1
(C)
2
(D)
3
(E)
4
풀이 과정
전략 관점 바꾸기

R(n)과 R(n+1)을 각각 계산해서 비교하는 것은 가장 먼저 떠오르는 방법이지만 좋은 방법은 아니다. 일을 두 배로 하면서, 두 입력이 정확히 1만큼만 다르다는 사실을 버리기 때문이다. 도구 #16(관점 바꾸기)은 합 자체가 아니라 변화량 R(n+1) - R(n)만 쫓으라고 말한다. 그 변화량은 나누는 수마다 하나씩, 서로 독립인 아홉 조각으로 갈라지고, 각 조각은 도구 #5(패턴 찾기)의 관찰 한 줄로 끝난다. 1을 더하면 나머지는 1만큼 올라가지만, 마침 배수에 닿는 순간에는 0까지 떨어진다는 것이다. 이어서 도구 #13(대수로 바꾸기)이 아홉 조각을 하나의 깔끔한 식으로 묶는데, 그 식에 들어가는 재료는 2부터 10까지 중 n+1을 나누는 수들의 목록뿐이다. 여기서부터는 작은 집합에 대한 산수다. 도구 #2(빠짐없이 나열하기)로 합이 9가 되는 {2,3,…,10}의 부분집합을 모두 적고, 도구 #3(가능성 지우기)으로 어떤 수의 약수 목록도 될 수 없는 것들을 걸러 내고, 도구 #6(추측하고 확인하기)으로 살아남은 몇 개를 두 자리 범위에서 점검한다.

1STEP 1

합이 아니라 변화량을 쫓기

합이 아니라 변화량을 쫓습니다.

D(n) = R(n+1) - R(n) = Σ_k=2¹⁰ [((n+1) mod k) - (n mod k)], 목표는 D(n) = 0
2STEP 2

1을 더하면 나머지는 어떻게 되나

1을 더하면 나머지가 둘 중 하나로 바뀝니다.

((n+1) mod k) - (n mod k) = +1 & k ∤ n+1 일 때 ; -(k-1) & k ∣ n+1 일 때
3STEP 3

아홉 개의 변화량 더하기

아홉 개의 변화량을 더합니다.

D(n) = 9 - S(m), m = n+1, S(m) = Σ_{2 ≤ k ≤ 10 ; k ∣ m} k; R(n) = R(n+1) ⇔ S(m) = 9
4STEP 4

합이 9인 부분집합 모두 적기

합이 9가 되는 부분집합을 나열합니다.

합이 9인 {2,…,10}의 부분집합: {9}, {2,7}, {3,6}, {4,5}, {2,3,4}
5STEP 5

대부분의 집합은 불가능하다

대부분은 불가능합니다.

9 ∣ m → 3 ∣ m; 6 ∣ m → 2 ∣ m; 4 ∣ m → 2 ∣ m; lcm(3,4) = 12 → 6 ∣ m. 생존: {2,7}, 즉 14 ∣ m
6STEP 6

14의 배수 걸러내기

배수를 걸러내면 2개가 남습니다.

m ∈ {14, 28, 42, 56, 70, 84, 98}; 28, 56(4의 배수), 42, 84(3의 배수), 70(5의 배수) 제거 → m = 14, 98 → n = 13, 97
정답
2
찾아낸 두 값은 이론 없이 원래 정의만으로 확인할 수 있다. n = 13의 나머지는 1, 1, 1, 3, 1, 6, 5, 4, 3으로 합이 25이고, n = 14의 나머지는 0, 2, 2, 4, 2, 0, 6, 5, 4로 역시 합이 25다. n = 97의 나머지는 1, 1, 1, 2, 1, 6, 1, 7, 7로 합이 27이고, n = 98의 나머지는 0, 2, 2, 3, 2, 0, 2, 8, 8로 역시 27이다. 그러므로 두 값이 실제로 조건을 만족하고, 이것만으로 (A)와 (B)는 배제된다. 개수가 더 많아질 수도 없다. 5단계에서 가능한 약수 목록이 {2,7}뿐임을 보였고 6단계에서 101 미만의 14의 배수를 모두 살펴봤기 때문이다. 따라서 (D)와 (E)도 닫힌다. 틀린 개수가 어디서 나오는지도 쉽게 보인다. {2,3,4}를 남겨 두고 12 ∣ m이 6 ∣ m을 강제한다는 것을 놓치면 12의 배수를 뒤지게 되고, {4,5}를 남겨 두면 20의 배수를 뒤지게 되어 개수가 부풀려진다. 일관성 확인을 하나 더 하면, 98 = 7 · 14이므로 두 생존자는 모두 14에 3과 5로 나누어지지 않는 홀수를 곱한 꼴이고, 그다음 그런 배수인 14 · 11 = 154는 이미 두 자리 수를 넘는다. 개수가 둘에서 멈추는 이유가 바로 이것이다.
💡핵심 정리

n에서의 값과 n+1에서의 값을 비교하는 문제라면 둘 다 계산하지 말고 무엇이 변하는지만 계산하자. 1을 더하면 나머지는 모두 한 칸씩 올라가지만, 배수에 닿는 자리에서만 0으로 떨어진다.

  • 합이 아니라 변화량을 쫓기
  • 1을 더하면 나머지는 어떻게 되나
  • 아홉 개의 변화량 더하기
  • 합이 9인 부분집합 모두 적기
  • 대부분의 집합은 불가능하다
  • 14의 배수 걸러내기