나뭇잎 교과서

합의 법칙과 곱의 법칙

경우의 수를 셀 때 지켜야 할 것은 두 가지입니다. 빠뜨리지 않고, 두 번 세지 않는 것입니다. 이 절에서는 주사위 두 개의 결과 표에서 '또는'으로 이어진 두 사건을 세어 언제 더하면 되는지 확인합니다. 다음으로 수형도의 가지가 어떻게 불어나는지 보며 '이어서' 일어나는 일을 곱으로 세는 까닭을 찾습니다. 마지막으로 이 두 법칙으로 약수의 개수를 나열하지 않고 구합니다.

먼저 알면 좋은 것 수형도합집합의 원소의 개수소인수분해
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합의 법칙과 곱의 법칙

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티셔츠 3벌과 바지 4벌이 있다. 위아래 한 벌씩 골라 입는 방법은 몇 가지일까? 또 오늘은 티셔츠와 원피스(2벌) 가운데 한 가지만 입는다면 고르는 방법은 몇 가지일까? 두 질문은 왜 하나는 곱하고 하나는 더할까?

그림 1. 티셔츠 하나마다 바지를 \(n\)가지로 고를 수 있으므로, 짝은 \(m\)줄에 \(n\)칸씩 모두 \(m \times n\)개이다.
먼저 알아야 할 것중학교의 경우의 수(사건, 나뭇가지 그림), 집합의 원소의 개수에 대한 감각.

3.1.1잇달아 고르면 곱한다

티셔츠를 먼저 고르고 바지를 고른다고 하자. 티셔츠가 무엇이든 바지는 4가지로 고를 수 있다. 그래서 그림 1처럼 티셔츠마다 한 줄씩, 한 줄에 4칸씩 짝을 늘어놓으면 칸은 모두 \(3 \times 4 = 12\)개이다. 하나하나 세지 않아도 줄 수와 한 줄의 칸 수만 알면 된다.

여기서 곱셈이 통하는 조건은 '티셔츠가 무엇이든 바지를 고르는 방법의 수가 같다'는 것이다. 만약 빨간 티셔츠에는 바지 2벌만 어울린다면 줄마다 칸 수가 달라져서 곱셈 대신 줄마다 더해야 한다.

정의 3.1.1 곱의 법칙

사건 \(A\)가 일어나는 경우의 수가 \(m\)이고, 그 각각에 대하여 사건 \(B\)가 일어나는 경우의 수가 \(n\)이면, 두 사건 \(A\)와 \(B\)가 잇달아(동시에) 일어나는 경우의 수는 \(m \times n\)이다.

정의의 '그 각각에 대하여'가 앞에서 말한 조건이다. 그림 1의 줄마다 칸 수가 \(n\)으로 같을 때 곱셈이 성립한다. 사건이 셋 이상이어도 같아서, 신발 2켤레까지 고르면 \(3 \times 4 \times 2 = 24\)가지이다.

3.1.2겹치지 않는 경우는 더한다

두 번째 질문은 다르다. 티셔츠를 고르면 원피스를 입지 않고, 원피스를 고르면 티셔츠를 입지 않는다. 즉 두 경우가 동시에 일어나지 않는다. 그러면 고르는 방법은 티셔츠 3가지와 원피스 2가지를 합친 \(3 + 2 = 5\)가지이다.

정의 3.1.2 합의 법칙

두 사건 \(A\), \(B\)가 동시에 일어나지 않을 때, \(A\)가 일어나는 경우의 수가 \(m\), \(B\)가 일어나는 경우의 수가 \(n\)이면, \(A\) 또는 \(B\)가 일어나는 경우의 수는 \(m + n\)이다.

두 사건이 동시에 일어날 수 있으면 겹친 부분을 두 번 세게 된다. 가령 1부터 20까지의 수 가운데 2의 배수는 10개, 3의 배수는 6개이지만, 6의 배수 3개는 양쪽에 모두 들어 있다. 그래서 2의 배수 또는 3의 배수는 \(10 + 6 - 3 = 13\)개이다.1

mn겹치지 않으면 m + n 1063겹치면 10 + 6 − 3
그림 2. 합의 법칙은 두 경우가 겹치지 않을 때만 그대로 더할 수 있다.

3.1.3예제 풀이

예제 3.1.3

72의 양의 약수의 개수와 그 약수들의 합을 구하여라.

\(72 = 2^3 \times 3^2\)이다. 72의 약수는 \(2^a \times 3^b\)꼴이고, \(a\)는 0, 1, 2, 3 가운데 하나, \(b\)는 0, 1, 2 가운데 하나이다. \(a\)를 무엇으로 고르든 \(b\)를 고르는 방법은 3가지이므로, 곱의 법칙에 따라 약수는 \(4 \times 3 = 12\)개이다.

약수의 합도 같은 생각으로 구한다. \((1 + 2 + 4 + 8)(1 + 3 + 9)\)를 전개하면 첫째 괄호에서 한 항, 둘째 괄호에서 한 항을 골라 곱한 \(4 \times 3 = 12\)개의 항이 나온다. 이 항들이 바로 72의 약수 12개이다. 따라서 약수의 합은 \(15 \times 13 = 195\)이다.

약수를 직접 써서 확인해 보면 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 18, 24, 36, 72로 정말 12개이고, 더하면 195이다. 곱의 법칙과 다항식의 전개가 같은 구조라는 것이 여기서 드러난다. 아래 탐구 카드에서 고르는 단계를 늘리고 줄이며 곱과 합이 어떻게 달라지는지 직접 확인해 보자.

  1. 두 집합의 원소의 개수로 쓰면 \(n(A \cup B) = n(A) + n(B) - n(A \cap B)\)이다. 집합은 공통수학2에서 자세히 다룬다.
마무리

잇달아 고를 때 앞의 선택마다 뒤의 선택 수가 같으면 곱하고, 동시에 일어나지 않는 경우들 가운데 하나를 고를 때는 더한다. 처음 질문에서 위아래를 함께 고르는 방법은 \(3 \times 4 = 12\)가지이고, 티셔츠와 원피스 가운데 한 가지만 고르는 방법은 \(3 + 2 = 5\)가지이다.

탐구 1

'A 또는 B'의 경우의 수는 언제 더하기만 하면 될까?

합의 법칙 · 겹침 확인
A
B
A의 수
—
B의 수
—
겹치는 수
—
A 또는 B
—

—

  1. 질문서로 다른 주사위 두 개를 던질 때, 눈의 합이 3의 배수이거나 4의 배수인 경우는 몇 가지일까? 각각 센 수를 더하기만 하면 될까?
  2. 복원경우의 수는 일어날 수 있는 결과를 빠짐없이, 중복 없이 센 수이다. 주사위 두 개를 던진 결과는 (첫째 눈, 둘째 눈)의 순서쌍 \(6 \times 6 = 36\)가지이고, 표의 한 칸이 결과 하나이다.
  3. 설명두 사건 A, B가 동시에 일어나지 않을 때, A가 일어나는 경우가 \(m\)가지, B가 일어나는 경우가 \(n\)가지이면 A 또는 B가 일어나는 경우는 \(m + n\)가지이다. 이것이 합의 법칙이고, 셋 이상의 사건에도 같은 방법을 쓴다. 그런데 두 사건이 동시에 일어날 수 있으면 겹치는 결과를 두 번 세게 된다. 이때는 겹치는 수를 한 번 빼서 \(m + n\) − (겹치는 수)로 센다.
  4. 연결겹친 것을 빼는 계산은 집합에서 \(n(A \cup B) = n(A) + n(B) - n(A \cap B)\)와 같다. 또 경우를 서로 겹치지 않는 묶음으로 나누어 각각 세고 더하는 방법은 순열과 조합 문제에서도 기본 전략이 된다.
  5. 적용A를 '합이 3의 배수', B를 '합이 4의 배수'로 두고 겹치는 칸을 찾아보자. 합이 12인 칸이 겹치므로 두 수를 더한 값이 실제보다 1만큼 크다. B를 '합이 7'로 바꾸면 겹치는 칸이 없어 그대로 더하면 된다. A를 '두 눈이 같음'으로 바꾸고 겹치는 칸이 가장 많아지는 B도 찾아보자.
  6. 판단'또는'이 나오면 무조건 더한다고 생각하기 쉽다. 하지만 더하기 전에 두 사건이 함께 일어날 수 있는지 먼저 확인해야 한다. 또 주사위가 서로 다르면 \((1, 2)\)와 \((2, 1)\)은 다른 결과이므로 따로 센다.

확인조건이 달라지면

1부터 20까지의 자연수 가운데 3의 배수 또는 5의 배수는 몇 개일까?

탐구 2

언제 더하고 언제 곱할까?

곱의 법칙 · 수형도
가지 끝의 수
—
식
—
방식
—

가지 끝을 눌러 보세요.

  1. 질문윗옷 3벌과 바지 2벌로 옷을 입는 방법은 \(3 + 2 = 5\)가지일까, \(3 \times 2 = 6\)가지일까? 어떤 상황에서 더하고, 어떤 상황에서 곱할까?
  2. 복원수형도는 일어날 수 있는 경우를 나뭇가지 모양으로 빠짐없이 그린 그림이다. 가지 끝 하나가 결과 하나이므로 가지 끝의 개수가 경우의 수이다.
  3. 설명사건 A가 일어나는 경우가 \(m\)가지이고, 그 각각에 대하여 사건 B가 일어나는 경우가 \(n\)가지이면, 두 사건 A, B가 잇달아 일어나는 경우는 \(m \times n\)가지이다. 이것이 곱의 법칙이다. 수형도에서 첫 단계의 가지 \(m\)개마다 똑같이 \(n\)개씩 가지가 뻗기 때문이고, 단계가 셋이면 \(m \times n \times k\)가지가 된다. 반면 여러 묶음 가운데 하나만 고르는 '또는'의 상황에서는 가지가 한 번 나란히 갈라질 뿐이므로 \(m + n + k\)가지, 곧 합의 법칙이다. 그래서 윗옷과 바지를 함께 입는 방법은 6가지이다.
  4. 연결곱의 법칙은 약수의 개수와 순열의 수 \(n(n - 1)(n - 2)\)…를 세는 바탕이 된다. 다항식 \((a + b)(c + d + e)\)를 전개하면 항이 \(2 \times 3 = 6\)개 나오는 것도 첫 괄호에서 하나, 둘째 괄호에서 하나를 잇달아 고르기 때문이다.
  5. 적용'이어서 고르기'에서 세 슬라이더를 움직이며 가지 끝의 수와 \(m \times n \times k\)를 비교해 보자. 가지 끝 하나를 누르면 어떤 선택을 거쳤는지 나온다. 같은 \(m\), \(n\), \(k\)에서 '하나만 고르기'로 바꾸면 가지 끝이 \(m + n + k\)개로 줄어든다. 두 방식의 값이 같아지는 경우도 찾아보자.
  6. 판단곱의 법칙은 앞에서 무엇을 골랐든 다음 단계의 선택 수가 같을 때 성립한다. 예를 들어 '같은 색 윗옷과 바지는 함께 입지 않는다'는 조건이 붙으면 가지마다 갈래 수가 달라져 그대로 곱할 수 없다. 이때는 경우를 나누어 각각 곱한 뒤 더한다.

확인조건이 달라지면

윗옷 3벌, 바지 4벌, 모자 2개가 있다. 윗옷과 바지는 꼭 하나씩 입고, 모자는 하나를 쓰거나 쓰지 않는다. 차려입는 방법은 몇 가지일까?

탐구 3

약수의 개수는 왜 지수에 1을 더해 곱할까?

곱의 법칙 · 약수 세기
\(N\)
—
약수의 개수
—
약수의 합
—

표의 칸을 눌러 보세요.

  1. 질문72의 약수를 모두 나열하지 않고 개수만 알 수 있을까?
  2. 복원1이 아닌 자연수의 소인수분해는 한 가지로 정해진다. 그래서 \(72 = 2^3 \times 3^2\)의 약수는 \(2^i \times 3^j (0 \le i \le 3, 0 \le j \le 2)\) 꼴의 수뿐이다.
  3. 설명즉 약수 하나를 만드는 일은 '2의 지수 고르기'와 '3의 지수 고르기'를 잇달아 하는 일이다. 2의 지수는 0, 1, 2, 3의 4가지, 3의 지수는 0, 1, 2의 3가지이므로 곱의 법칙에 따라 약수는 \(4 \times 3 = 12\)개이다. 일반적으로 \(p\), \(q\), \(r\)가 서로 다른 소수일 때 \(N = p^aq^br^c\)의 약수의 개수는 \((a + 1)(b + 1)(c + 1)\)이다. 1을 더하는 것은 지수 0을 고르는 경우, 곧 그 소수를 쓰지 않는 경우가 있기 때문이다.
  4. 연결약수의 합도 같은 짜임이다. \((1 + 2 + 4 + 8)(1 + 3 + 9)\)를 전개하면 곱의 법칙에 따라 \(4 \times 3 = 12\)개의 항이 나오고, 그 항 하나하나가 72의 약수이다. 그래서 72의 약수의 합은 \(15 \times 13 = 195\)이다.
  5. 적용\(a = 3\), \(b = 2\), \(c = 0\)으로 두어 72의 약수 표를 만들고 칸 수를 세어 보자. \(c\)를 1로 올리면 5를 쓰느냐 마느냐에 따라 표가 두 장이 된다. 칸을 눌러 그 약수가 어떤 지수 선택으로 만들어졌는지 확인하고, 지수 하나를 0으로 내리면 약수의 개수가 몇 배로 줄어드는지도 보자.
  6. 판단지수끼리 곱해 \(3 \times 2 = 6\)이라고 하면 지수 0을 고르는 경우를 빠뜨린다. 1, 2, 4, 8처럼 3을 쓰지 않는 약수가 그런 경우이다. 또 \(72 = 8 \times 9 = 4 \times 18\)처럼 소수가 아닌 수로 나눈 꼴에서 지수를 읽으면 안 되고, 반드시 소수의 거듭제곱으로 나타낸 뒤 센다.

확인조건이 달라지면

180의 양의 약수는 몇 개일까?

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