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중복순열에서 ‘반드시 포함’ 조건을 놓치지 않는 법

문정여자고등학교 학생의 풀이 기록에는 다음과 같은 오류가 남아 있었다.

“문자 A, B, C를 중복해서 네 자리로 배열할 때 A를 반드시 포함해야 하므로, 첫 자리를 A로 고정한 뒤 나머지 세 자리를 배열하면 된다.”

이 계산은 A가 첫 자리에만 오는 경우를 세므로, A가 두 번째·세 번째·네 번째 자리에 포함되는 배열을 빠뜨린다. 오치동과외에서 이 유형을 다룰 때는 특정 원소를 한 자리에 고정하기보다 전체 경우에서 빠진 경우를 빼는 방법을 먼저 점검한다.

하나의 식에서 출발하기

문자 A, B, C를 중복하여 네 자리로 배열하되 A가 적어도 한 번 포함되는 경우를 구해 보자.

전체 배열은 각 자리마다 3가지 선택이 가능하므로

34

이다. 반대로 A가 한 번도 나오지 않는 배열은 B와 C만 사용하므로

24

이다. 따라서 원하는 경우의 수는 여사건을 이용해

34 − 24 = 81 − 16 = 65

이다.

왜 첫 자리를 고정하면 안 되는가

첫 자리를 A로 고정하면 나머지 세 자리는 자유롭게 정할 수 있어 33 = 27가지가 나온다. 그러나 이는 A가 첫 자리에 있는 배열만 센 결과다.

예를 들어 BACA는 A를 포함하지만 첫 자리가 A가 아니므로 고정 방식에서는 제외된다. 즉 ‘반드시 포함’은 ‘특정 자리에 고정’과 같은 조건이 아니다.

조건을 두 종류로 넓혀 보기

이번에는 A, B, C를 중복하여 네 자리로 배열하면서 A와 B가 각각 적어도 한 번씩 나오도록 하자.

전체 경우는 34가지이다.

  • A가 없는 경우: 24
  • B가 없는 경우: 24
  • A와 B가 모두 없는 경우: C만 사용하므로 1

따라서 포함배제 원리에 따라

34 − 24 − 24 + 1 = 81 − 16 − 16 + 1 = 50

이다. 두 조건을 각각 빼면서 A와 B가 모두 없는 경우를 두 번 제외했으므로 마지막에 한 번 더 더해야 한다.

풀이를 고친 뒤의 점검

다음 세 질문으로 답을 검증할 수 있다.

  1. 전체 배열 수를 먼저 정확히 세었는가?
  2. 필수 원소가 없는 여사건을 같은 길이의 중복배열로 표현했는가?
  3. 두 종류 이상을 반드시 포함할 때 겹쳐서 뺀 경우를 다시 더했는가?

따라서 특정 원소를 반드시 포함하는 중복배열은 자리 고정보다 전체 경우 − 미포함 경우를 우선 검토하는 것이 안전하다. 이 원칙은 광주 지역에서 중복순열을 복습하는 학생이 오치동과외 수업에서 다양한 조건으로 확장할 때도 그대로 적용된다.

오치동 고2수학과외 학부모 후기

친구와 같이 공부하고 온 날이라 책상 위가 꽤 어수선했어요. 치우려고 보다가 오답 문제 한쪽에 처음 잘못 나온 식만 네모로 둘러 놓은 게 보이더라고요. 답을 통째로 지운 것도 아니고, 어디에서부터 다시 봐야 하는지 한눈에 남겨 둔 모습이었어요. 예전에는 풀이를 적어 놓고도 자기 판단이 어긋난 부분에는 아무 표시를 하지 않았거든요. 그래서 시간이 지나 다시 펼치면 처음부터 전부 살펴봐야 했는데, 이번엔 고칠 지점을 좁혀 둔 셈이었어요. 오치동 수학과외 이야기를 나누며 봤던 여러 장면 중에서도 그 표시가 유난히 눈에 띄었습니다. 학교 수행평가 준비를 재개한 날에도 같은 식으로 문제를 훑더라고요. 계산을 모두 다시 쓰기보다 첫 오류가 난 식을 찾아 네모를 치고, 그다음에 볼 곳까지 정해 둔 채 다음 문제로 넘어갔어요.

★★★★★학부모 후기

시험지를 펼쳐 놓고 답을 맞춰보는 줄 알았는데, 아이는 문제 전체가 아니라 조건 문장에만 동그라미를 치고 있더라고요. 그 부분을 한 번 읽은 뒤에야 풀이 첫 줄로 돌아가 다시 시작했어요. 공부를 마친 뒤 시간표를 확인하던 밤에 본 장면이라 더 눈에 띄었습니다. 예전에는 문제를 풀고 난 뒤 남은 표시만 봐서는 어디를 다시 살펴보려는지 알기 어려웠거든요. 그런데 이번에는 표시가 조건에만 딱 남아 있어서, 무엇부터 확인할지 스스로 정한 게 보이더라고요. 오치동 수학과외 이야기를 나누던 중에도 이런 변화가 있었는지 궁금했는데 집에서 직접 보니 느낌이 달랐습니다. 주말에 책상을 정리할 때는 계산을 시작하기 전에 조건 문장부터 찾아 표시하더라고요. 다시 볼 부분 하나만 남겨두고 다른 쪽은 덮어두는 모습까지 이어져서, 그날 시험지에 남은 동그라미가 우연은 아니었구나 싶었어요.

★★★★★학부모 후기

오치동에서 수학 과외를 시작한 뒤, 시험이 끝난 저녁에 아이와 이번 주 공부량을 이야기하다가 틀린 문제를 다시 펼쳐 보는 모습을 보았습니다. 예전에는 선생님 설명을 듣고도 이해했다고 넘겼지만, 이제는 모르는 부분을 솔직히 말하고 어려운 문제 뒤에는 쉬운 문제로 흐름을 조절해 주셔서 부담도 덜해 보였습니다. 성적보다 먼저 스스로 해냈다고 느끼는 날이 늘어난 점이 가장 반갑게 느껴졌습니다.

★★★★☆학부모 후기

예전에는 숙제를 시작할 때도 수학부터 미루던 아이가 요즘은 지난주에 틀린 문제를 다시 풀며 궁금한 부분에 표시부터 해둡니다. 오치동에서 수업을 받으며 선생님이 이해했는지 살피고 편하게 질문하도록 이끌어 주신 덕분입니다. 시험 기간에는 학교 일정에 맞춰 수업량을 조절해 주셔서, 어려운 문제도 피하지 않고 차분히 공부하려는 모습이 눈에 띄었습니다.

★★★★★학부모 후기

학원 일정이 늦게 끝난 주말에도 오치동 수학 수업에 빠지지 않고 참여하는 모습이 기억에 남았습니다. 문제를 많이 내주기보다 막힌 부분은 다음 수업 전까지 할 일과 이후에 볼 내용을 짧게 나눠 알려 주셔서 아이가 부담을 덜 느꼈습니다. 밀린 계획도 스스로 다시 정리해 이어 가려는 모습이 보여 조금씩 달라지고 있음을 느꼈습니다.

★★★★☆학부모 후기