거두지구 고2수학과외







최종 답이 맞아도, 첫 판단이 틀리면 흔들린다
시간 제한이 있는 첫 시도에서 학생은 “특정 두 사람이 이웃하지 않는 원순열”을 보고 곧바로 여사건을 떠올렸다. 이 선택은 문제 조건과 잘 맞았지만, 원순열의 전체 경우의 수를 n!으로 두면 계산이 어긋난다.
하나의 식에서 출발하기
서로 다른 n명을 원형으로 배열하는 전체 경우의 수는 회전한 배열을 같은 것으로 보므로
\[ (n-1)! \]
이다. 특정 두 사람 A, B가 이웃하는 경우에는 A와 B를 하나의 묶음으로 생각한다. 묶음과 나머지 n-2명을 원형으로 배열하는 방법은 \((n-2)!\)이고, 묶음 안에서 AB와 BA의 두 순서가 가능하므로
\[ 2(n-2)! \]
이다.
금지 조건을 여사건으로 바꾸는 과정
“이웃하지 않는다”의 정확한 계산
따라서 A와 B가 이웃하지 않는 원순열은 전체에서 이웃하는 경우를 빼면 된다.
\[ (n-1)!-2(n-2)! =(n-2)!(n-3) \]
예를 들어 6명을 배열하면
\[ 5!-2\cdot4!=120-48=72 \]
이다. 여기서 “이웃하는 경우”를 한 번만 빼는 이유는 금지된 이웃쌍이 하나뿐이기 때문이다.
학생 풀이 기록에서 찾은 오류
처음 풀이에서는 빈자리를 직접 만들고 A와 B의 위치를 여러 방식으로 세었다. 이 방법은 원형 배열에서 시작점을 고정했는지, 회전한 배열을 중복해서 세었는지 확인하기 어렵다. 특히 A를 기준으로 배열한 뒤 다시 다른 사람을 기준으로 세면 같은 배치가 반복된다.
따라서 이 유형에서는 먼저 전체 원순열을 \((n-1)!\)로 정한 뒤, 이웃 사건을 묶음으로 처리하는 편이 안전하다. 거두지구과외에서 원순열을 다룰 때도 계산보다 먼저 “회전한 배열을 같은 것으로 보는가”를 확인하는 습관을 강조할 수 있다.
여러 이웃쌍이면 단순히 한 번만 뺄 수 없다
A와 B, C와 D가 각각 이웃하지 않는 경우처럼 금지된 이웃쌍이 두 개라면 포함배제가 필요하다. 전체를 \(T\), AB가 이웃하는 사건을 \(E_1\), CD가 이웃하는 사건을 \(E_2\)라 하면
\[ T-|E_1|-|E_2|+|E_1\cap E_2| \]
로 계산한다. 두 쌍이 서로 겹치지 않을 때
\[ |E_1|=|E_2|=2(n-2)!, \qquad |E_1\cap E_2|=4(n-3)! \]
이다. 마지막 교집합을 다시 더하는 이유는 두 사건에서 동시에 제외되어 두 번 빠졌기 때문이다.
최종 검증
n=3을 대입하면
\[ (3-1)!-2(3-2)!=2-2=0 \]
이 된다. 실제로 세 명이 원형으로 앉으면 어떤 두 사람도 항상 이웃하므로 결과가 0인 것이 맞다. 따라서 공식은 n≥3에서 문제 조건과 일치한다.