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식사동고1수학과외

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식사동고1수학과외, 이웃하지 않는 배열을 여집합으로 세기

식사동빌라단지나 위시티5단지에서 귀가한 뒤 짧은 시간에 경우의 수를 정리할 때는 계산보다 배열의 조건을 먼저 고정해야 한다. 특히 “두 사람이 이웃하지 않는다”는 조건은 가능한 배열을 하나씩 나열하기보다 전체 배열에서 두 사람이 붙어 있는 배열을 빼는 방식이 효율적이다.

붙어 있는 두 사람을 하나의 묶음으로 바꾸기

사람 6명 A, B, C, D, E, F를 한 줄로 세울 때 A와 B가 이웃하지 않는 경우를 구해 보자. 전체 배열은

6!

이다. 이제 A와 B가 이웃하는 경우를 세면 된다. A와 B를 하나의 묶음 (AB) 또는 (BA)로 생각하면, 묶음 1개와 나머지 네 사람을 배열하는 방법은 5!가지이다. 묶음 내부에서 A, B의 순서를 바꾸는 방법이 2!가지이므로 이웃하는 배열은

5! × 2! = 240

가지이다. 따라서 이웃하지 않는 배열은

6! − 5! × 2! = 720 − 240 = 480

가지이다.

학생의 풀이에서 사라진 2!

실제 풀이에서는 A와 B를 붙여 (AB)라는 한 덩어리로 표시한 뒤, “묶음과 네 사람을 배열하므로 5!”까지만 적는 경우가 있었다. 이 계산은 A가 왼쪽, B가 오른쪽인 경우만 센 것이다. 실제로는 (AB)(BA)가 모두 가능하므로 묶음 내부 순서 2!를 곱해야 한다.

이웃하지 않는 배열 = 전체 배열 − 이웃하는 배열
= 6! − (5! × 2!)

이 식의 괄호 안은 “묶음 외부의 배열”과 “묶음 내부의 배열”을 차례로 반영한다. 묶음을 만들었다고 해서 두 사람의 순서가 사라지는 것은 아니다.

빼기 계산을 답안의 근거로 남기는 연습

답만 480이라고 쓰지 않고, 먼저 전체 경우와 제외할 경우를 구분해 적는다.

  • 전체 배열: 6!
  • A와 B가 이웃하는 배열: 5! × 2!
  • A와 B가 이웃하지 않는 배열: 6! − 5! × 2! = 480

이렇게 쓰면 “이웃하지 않는 배열”을 직접 세지 않고, 조건을 위반하는 배열을 전체에서 제거했다는 논리가 드러난다. 다음 줄로 넘어가기 전에 ‘두 사람이 이웃하지 않는 배열을 전체에서 이웃하는 경우 빼기로 구한다’는 판단을 다시 확인하고, 그 뒤에 묶음 내부 순서가 포함되었는지 살핀다.

조건을 바꾼 시간 제한 검산

훈련 문제에서는 사람을 P, Q, R, S, T로 바꾸고, P와 Q가 이웃하지 않는 배열을 계산하게 한다. 전체는 5!, 이웃하는 경우는 두 사람을 묶어 4! × 2!이므로 답은

5! − 4! × 2! = 120 − 48 = 72

이다. 시간 제한을 둔 계산 세트에서는 답의 위치를 먼저 확인한다. 배열을 좌표처럼 기록했다면 첫 번째 자리를 x, 두 번째 자리를 y로 정하고 (x, y)의 순서를 바꾸지 않는다. 예를 들어 P가 첫째, Q가 둘째인 배열과 Q가 첫째, P가 둘째인 배열은 서로 다른 배열이므로 묶음 내부의 2!에 해당한다.

교사의 질문 없이도 전체 배열을 쓴 뒤 이웃하는 경우를 묶음으로 세고, 내부 순서까지 곱한 다음 빼는지 확인한다. 새 조건에서 이 절차와 배열의 위치를 스스로 검산하면 해당 방법을 실제 문제에 적용할 수 있는지 판단할 수 있다.

수업에서 달라진 모습

모르는 걸 말하는 힘

식사동에서 수학 과외를 시작한 뒤, 저녁마다 숙제를 펼쳐 놓고도 답이 맞는지 몇 번씩 확인하던 아이 모습이 조금씩 달라졌습니다. 수업 전부터 긴장하던 아이에게 선생님은 모르는 문제를 편하게 말하도록 천천히 질문을 이어 가며 기다려 주셨고, 막힌 부분을 억지로 넘기지 않았습니다. 요즘은 틀릴까 눈치 보기보다 스스로 질문하며 숙제를 마무리하는 모습이 가장 반갑습니다.

★★★★★

질문이 편해진 수업

새 학기를 앞두고 식사동에서 수학 과외를 시작했을 때는 기분 내키는 날에만 공부해 수업 내용을 집에서 다시 보지 않았습니다. 어느 날 어려운 문제를 피해 쉬운 것부터 풀었는데, 선생님은 잘한 부분을 먼저 짚고 제가 스스로 이어서 생각할 시간을 주셨습니다. 이제는 모르는 내용을 숨기지 않고 편하게 말하며, 수업 전후로 짧게라도 복습하려고 합니다.

★★★★☆

오답에서 찾은 변화

식사동에서 수학 과외를 시작한 뒤 아이가 책상에 앉기 전 그날 할 분량부터 정하는 모습이 보였습니다. 선생님은 틀린 문제뿐 아니라 맞힌 문제도 풀이를 짧게 설명하게 하며 부담 없이 복습을 이끌어 주셨고, 시험기간에는 틀린 이유를 답보다 먼저 생각하려는 태도가 조금씩 생겼습니다.

★★★★★

모르는 걸 말하는 힘

식사동에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 아이는 숙제에서 막힌 문제를 그냥 넘기고, 질문할 생각조차 잘 하지 않았습니다. 선생님은 틀린 답을 바로 지적하기보다 어느 부분에서 생각이 달라졌는지 차분히 함께 찾아 주셔서, 아이가 부담 없이 자신의 풀이를 설명하게 했습니다. 요즘은 공부를 시작하면 모르는 문제를 먼저 꺼내 보여 주고 수업에서 궁금했던 점도 스스로 이야기해 부모로서 반가운 변화가 느껴집니다.

★★★★★

숙제를 챙기는 습관

식사동에서 수학 과외를 시작했을 때는 계산이 조금만 복잡해져도 금방 집중력이 흐트러졌는데, 수업이 끝난 뒤 선생님과 오늘 막힌 부분을 편하게 이야기할 수 있어 좋았습니다. 숙제를 거의 끝내고 한 문제만 남았을 때도 답을 바로 알려주기보다 생각이 달라진 지점을 함께 찾아주셨고, 시험기간에는 제가 먼저 궁금한 내용을 꺼내는 일이 늘었습니다.

★★★★★