비둘기집의 원리

by Lee Yeohyeon
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비둘기의 수가 비둘기집의 개수보다 많다면 (그리고 비둘기들이 모두 비둘기집으로 들어간다면) 반드시 어떤 비둘기집에는 두 마리 이상의 비둘기가 들어 있다. 좀 더 구체적으로 \(n+1\)마리 혹은 더 많은 비둘기를 \(n\)개의 비둘기집에 배정하면, 비둘기 중 적어도 두 마리는 같은 비둘기집에 배정된다. 더 일반적으로는, 비둘기의 수가 비둘기 집의 수의 \(k\)배 보다 더 많다면, 반드시 어떤 비둘기집에는 \(k+1\)마리 이상의 비둘기가 들어가 있다. 이러한 원리를 비둘기집의 원리라 부르는데 이를 처음봤을 때는 그닥 고급수학처럼 보이지는 않는다. 사실 비둘기집의 원리의 일반화 중 대부분은 기초적인 조합론을 공부하는 우리의 목표를 넘어서는 것들이다. 재미있으면서도 그다지 자명하지는 않아보이는 비둘기집과 관련된 예제를 살펴보자.

자명하지 않은 하나의 예로 어느 세 점도 일직선 상에 있지 않으며 한 평면 상에 있는 \(6\)개의 점을 생각하자. 이들 점으로 만든 각 쌍마다 빨간색 혹은 초록색인 선분으로 이어져 있을 때, 적어도 세 개의 점이 같은 색으로 서로 이어져 있어 하나의 삼각형을 이룸을 보여라. 다소 어려워 보이는 이 문제의 해법을 아래에서 읽기 전에 책을 잠시 내려 놓고 풀이를 직접 시도해보라. 점 \(A\)와 연결된 \(5\)개의 선분 중 적어도 \(3\)개는 비둘기집의 원리에 의해 같은 색인 선분이다. 이 같은 색으로 연결된 \(A\)가 아닌 세 점을 \(D, E, F\)라 부르자. 그리고 편의상 선분의 색은 빨간색이라 하자. 선분 \(\overline{DE}, \overline{EF}, \overline{FD}\) 중 하나가 빨간색이라면 원하는 결과를 얻는다. 그리고 이 세 선분 중 빨간색인 것이 없다면, 즉 이 세 선분이 모두 초록색이면 역시 원하는 결과를 얻는다.

Pigeonhole Problems.

  1. 동일한 흰색 양말 \(10\)개와 동일한 검은색 양말 \(10\)개가 양말함에 들어있다. 직접 보지 않고 양말을 꺼낼 때, 짝이 맞는 양말이 확실히 얻기 위해서는 몇 개의 양말을 꺼내야 하는가?
  2. 하나의 카드 덱에서 카드를 뽑을 때, 동일한 짝패 두 장 이상을 확실히 얻기 위해서는 몇 장의 카드를 뽑아야 하는가?
  3. 하나의 방에 들어간 사람 중에서 생일이 같은 사람이 반드시 적어도 세 명은 있기 위해서는 그 방에 몇 명이 들어가야 하는가?
  4. 빨간공 \(12\)개, 흰공 \(20\)개, 파란공 \(7\)개, 초록공 \(8\)개가 들어있는 상자에서 공을 뽑을 때, 같은 색의 공을 \(10\)개 이상 얻는다는 확신을 얻기 위해서는 몇 개의 공을 뽑아야 하는가?
  5. 커플 \(n\)쌍이 있고 그 중에서 사람을 뽑을 때, 적어도 한 커플은 포함되도록 뽑으려면 몇 명을 뽑아야 하는가?
  6. 사람 \(20\)명이 들어 있는 방이 있을 때, 이 방안에 서로 친구인 사람 수가 동일한 사람이 적어도 두 명이 존재함을 보여라.
  7. 평면 상의 격자점을 생각하자. 이 점들 중 임의의 \(5\)개의 점을 잡고, 이들을 연결하여 \(10\)개의 선분을 얻었을 때, 이 선분들 중 적어도 하나는 다른 격자점을 포함함을 보여라.
  8. 적어도 \(6\)명이 모인 파티에서는 서로가 모르는 세 명이 있거나, 서로가 아는 세 명이 있음을 보여라.

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