BETAInsomnia Studyroom벤 다이어그램과 원소의 개수
벤 다이어그램과 원소의 개수

22개정 교과과정

공통수학2

도형의 방정식, 집합과 명제, 함수와 그래프를 한국어 강의와 체크포인트로 정리합니다.

2022 개정 고등학교 수학의 공통 과목 흐름에 맞춰 좌표, 논리, 함수 해석을 단계적으로 학습합니다.

22개정 · 집합과 명제

벤 다이어그램과 원소의 개수

집합의 개수 문제에서는 같은 원소가 여러 집합에 속할 수 있습니다. 겹친 원소가 몇 번 더해졌는지 추적하고 서로 겹치지 않는 영역으로 나누면 설문, 선택 과목, 동아리와 같은 상황을 정확하게 셀 수 있습니다.

1. 원소의 개수와 영역

유한집합 \(A\)의 원소 개수를 \(n(A)\)로 나타냅니다. 벤 다이어그램에서는 전체집합을 직사각형, 부분집합을 원이나 닫힌 곡선으로 나타내고 각 영역에 원소 또는 원소의 개수를 씁니다.

계산의 핵심은 다이어그램을 서로 겹치지 않는 영역으로 나누는 것입니다. 서로 겹치지 않는 영역의 수는 그대로 더할 수 있습니다.

2. 두 집합의 네 영역

U=40 A B 15 7 11 neither: 7
네 영역은 서로 겹치지 않습니다A만, A와 B 모두, B만, 어느 것도 아닌 영역의 합이 전체 원소 수가 됩니다.

두 원이 겹치면 전체집합은 “A만”, “A와 B 모두”, “B만”, “어느 것도 아님”의 네 영역으로 나뉩니다. \(n(A)\)는 A만의 수와 교집합의 수를 더한 값입니다.

3. 두 집합의 포함배제 원리

\(n(A)+n(B)\)를 계산하면 \(A\cap B\)의 원소가 두 번 세어집니다. 한 번만 남기기 위해 교집합의 개수를 한 번 뺍니다.

\[ \boxed{n(A\cup B)=n(A)+n(B)-n(A\cap B)} \]

이 식은 필요한 항을 이항하여 교집합이나 한 집합의 원소 수를 역으로 구할 때도 사용할 수 있습니다.

\[ n(A\cap B)=n(A)+n(B)-n(A\cup B) \]

4. “만”, “정확히 하나”, “적어도 하나”

\[ n(A\text{만})=n(A)-n(A\cap B) \]
\[ n(\text{정확히 하나})=n(A)+n(B)-2n(A\cap B) \]

“적어도 하나”는 \(A\cup B\)이고, “둘 다”는 \(A\cap B\)입니다. 정확히 하나는 교집합을 제외한 두 바깥 조각의 합입니다.

5. 어느 것도 아닌 경우

전체집합의 원소 수가 주어졌다면 여집합을 이용합니다.

\[ \boxed{n((A\cup B)^c)=n(U)-n(A\cup B)} \]

“둘 다 아니다”, “어느 것도 선택하지 않았다”는 합집합의 여집합입니다.

6. 포함 관계와 서로소의 특별한 경우

\(A\subseteq B\)이면 \(A\cap B=A\), \(A\cup B=B\)이므로

\[ n(A\cap B)=n(A),\qquad n(A\cup B)=n(B). \]

두 집합이 서로소이면 \(n(A\cap B)=0\)이어서

\[ n(A\cup B)=n(A)+n(B) \]

입니다.

7. 가능한 데이터인지 검토하기

교집합은 어느 한 집합보다 클 수 없고, 합집합은 전체집합보다 클 수 없습니다.

\[ 0\le n(A\cap B)\le\min\{n(A),n(B)\} \]

또한 전체집합의 크기가 \(N\)이면 합집합이 \(N\)을 넘지 않아야 하므로

\[ \boxed{\max\{0,n(A)+n(B)-N\}\le n(A\cap B)} \]

입니다. 계산 결과가 음수이거나 전체보다 크다면 조건을 잘못 해석했거나 주어진 자료가 서로 모순입니다.

8. 세 집합의 여덟 영역

A B C A only B only C only AB BC AC ABC none
가운데 세 겹 영역부터 채웁니다쌍의 교집합 수에는 세 집합 모두에 속하는 원소도 포함되므로 먼저 가운데 값을 빼야 합니다.

세 집합은 내부의 일곱 영역과 세 집합 바깥의 한 영역, 모두 여덟 개의 서로 겹치지 않는 영역으로 나뉩니다.

9. 세 집합의 포함배제 원리

세 집합의 원소 수를 모두 더하면 각 쌍의 교집합이 중복됩니다. 세 쌍의 교집합을 빼면 세 겹 교집합은 처음에 세 번 더해지고 다시 세 번 빠져 0번이 되므로 마지막에 한 번 더합니다.

\[ \boxed{\begin{aligned} n(A\cup B\cup C) ={}&n(A)+n(B)+n(C)\\ &-n(A\cap B)-n(B\cap C)-n(C\cap A)\\ &+n(A\cap B\cap C) \end{aligned}} \]

10. 세 집합 벤 다이어그램 채우는 순서

  1. 가운데 \(A\cap B\cap C\)를 가장 먼저 씁니다.
  2. 각 쌍의 교집합에서 가운데 값을 빼 “두 집합에만” 속하는 영역을 채웁니다.
  3. 각 집합의 전체 원소 수에서 그 집합 안의 이미 채운 세 영역을 빼 “그 집합에만” 속하는 영역을 구합니다.
  4. 일곱 내부 영역을 더해 합집합의 원소 수를 구합니다.
  5. 전체집합에서 합집합을 빼 바깥 영역을 구합니다.

주어진 쌍의 교집합 \(n(A\cap B)\)는 보통 세 겹 교집합을 포함한다는 점이 가장 중요합니다.

11. 문장과 영역의 대응

문장집합 또는 영역
A와 B 모두\(A\cap B\), C에 속하는 경우도 포함
A와 B에만\((A\cap B)-C\)
A에만\(A-(B\cup C)\)
정확히 두 집합AB만 + BC만 + CA만
적어도 두 집합정확히 두 집합 + 세 집합 모두
적어도 하나\(A\cup B\cup C\)
어느 것에도 속하지 않음\((A\cup B\cup C)^c\)

12. 대표 예제

예제 1: 두 집합의 합집합

\(n(A)=22\), \(n(B)=18\), \(n(A\cap B)=7\)이면

\[ n(A\cup B)=22+18-7=33. \]

예제 2: 어느 것도 아닌 경우

전체가 40명이고 예제 1의 조건을 만족하면 어느 집합에도 속하지 않는 학생은 \(40-33=7\)명입니다.

예제 3: 정확히 하나

A에만 속하는 학생은 \(22-7=15\)명, B에만 속하는 학생은 \(18-7=11\)명이므로 정확히 하나에 속하는 학생은 26명입니다.

예제 4: 교집합 역산

\(n(A)=24\), \(n(B)=19\), \(n(A\cup B)=35\)이면

\[ n(A\cap B)=24+19-35=8. \]

예제 5: 교집합의 가능한 범위

전체 50명 중 \(n(A)=30\), \(n(B)=28\)이면 교집합은 적어도 \(30+28-50=8\)명이고 많아도 28명입니다.

예제 6: 포함 관계

\(A\subseteq B\), \(n(A)=14\), \(n(B)=22\)이면 \(n(A\cap B)=14\), \(n(A\cup B)=22\), \(n(B-A)=8\)입니다.

예제 7: 세 집합의 합집합

\(n(A)=50\), \(n(B)=45\), \(n(C)=40\), \(n(A\cap B)=20\), \(n(B\cap C)=18\), \(n(C\cap A)=15\), \(n(A\cap B\cap C)=8\)이면

\[ n(A\cup B\cup C)=50+45+40-20-18-15+8=90. \]

예제 8: 세 집합의 각 영역

예제 7에서 세 집합 모두는 8명입니다. AB만은 12명, BC만은 10명, CA만은 7명입니다. 따라서 A만은 \(50-12-7-8=23\)명, B만은 15명, C만은 15명입니다.

예제 9: 설문에서 빠진 값

60명 중 국어를 선택한 학생이 35명, 영어가 32명, 어느 것도 선택하지 않은 학생이 8명이면 합집합은 52명입니다. 두 과목 모두 선택한 학생은 \(35+32-52=15\)명입니다.

예제 10: 정확히 두 개와 적어도 두 개

예제 8에서 정확히 두 집합에 속한 학생은 \(12+10+7=29\)명이고, 적어도 두 집합에 속한 학생은 가운데 8명을 더한 37명입니다.

13. 문제 해결 절차

  1. 전체집합과 각 집합이 무엇을 뜻하는지 정합니다.
  2. “만”, “모두”, “적어도”, “어느 것도 아님”을 정확한 영역으로 번역합니다.
  3. 두 집합은 교집합부터, 세 집합은 세 겹 교집합부터 채웁니다.
  4. 주어진 집합 전체 수에서 이미 채운 겹치는 영역을 빼 단독 영역을 구합니다.
  5. 서로 겹치지 않는 영역만 더해 원하는 값을 구합니다.
  6. 모든 내부 영역과 바깥 영역의 합이 전체 수와 같은지 확인합니다.

14. 자료의 일관성 점검

  • 각 영역의 원소 수는 음수가 될 수 없습니다.
  • 교집합은 그것을 포함하는 어느 집합보다 클 수 없습니다.
  • 합집합은 전체집합보다 클 수 없습니다.
  • 세 집합에서 세 겹 교집합은 각 쌍의 교집합보다 클 수 없습니다.
  • 모든 서로 겹치지 않는 영역의 합은 정확히 전체 원소 수와 같아야 합니다.

15. 자주 하는 실수

  • \(n(A)+n(B)\)만 계산하여 교집합을 두 번 세는 실수
  • “A와 B 모두”와 “A와 B에만”을 같은 영역으로 보는 실수
  • “적어도 하나”를 정확히 하나로 해석하는 실수
  • 어느 것도 아닌 수를 구할 때 전체집합에서 빼지 않는 실수
  • 세 집합에서 쌍의 교집합 수에 세 겹 교집합이 포함됨을 잊는 실수
  • 세 집합의 포함배제 공식 마지막 항을 빼는 실수
  • 바깥 영역까지 합집합에 포함하는 실수
  • 계산 결과가 음수나 전체 초과인데도 자료를 다시 확인하지 않는 실수

16. 연습문제

(1) \(n(A)=15\), \(n(B)=12\), \(n(A\cap B)=5\)일 때 \(n(A\cup B)\)를 구하세요.

(2) 전체집합의 원소가 30개이고 (1)의 조건을 만족할 때 어느 집합에도 속하지 않는 원소의 개수를 구하세요.

(3) (1)의 조건에서 정확히 한 집합에만 속하는 원소의 개수를 구하세요.

(4) \(n(A)=27\), \(n(B)=24\), \(n(A\cup B)=40\)일 때 \(n(A\cap B)\)를 구하세요.

(5) 전체 45명 중 A를 선택한 학생은 28명, B는 25명, 어느 것도 선택하지 않은 학생은 5명입니다. 둘 다 선택한 학생은 몇 명인가요?

(6) \(A\subseteq B\), \(n(A)=14\), \(n(B)=22\)일 때 \(n(A\cap B)\), \(n(A\cup B)\), \(n(B-A)\)를 구하세요.

(7) A와 B가 서로소이고 \(n(A)=16\), \(n(B)=9\)일 때 \(n(A\cup B)\)를 구하세요.

(8) \(n(A)=30\), \(n(B)=28\), \(n(C)=25\), \(n(A\cap B)=12\), \(n(B\cap C)=10\), \(n(C\cap A)=9\), \(n(A\cap B\cap C)=4\)일 때 합집합의 원소 수를 구하세요.

(9) 전체집합의 원소가 65개이고 (8)의 조건을 만족할 때 어느 집합에도 속하지 않는 원소 수를 구하세요.

(10) (8)의 조건에서 정확히 두 집합에 속하는 원소 수와 적어도 두 집합에 속하는 원소 수를 구하세요.

(11) (8)의 조건에서 A에만, B에만, C에만 속하는 원소 수를 각각 구하세요.

(12) 80명 중 커피를 좋아하는 사람이 45명, 차를 좋아하는 사람이 38명, 둘 다 좋아하는 사람이 20명입니다. 커피만, 차만, 정확히 하나, 어느 것도 좋아하지 않는 사람의 수를 구하세요.

(13) 전체가 40명이고 \(n(A)=30\), \(n(B)=25\), \(n(A\cap B)=10\)이라는 자료가 가능한지 판단하고 이유를 설명하세요.

(14) 전체 원소 수가 \(N\)일 때 \(n(A\cap B)\ge n(A)+n(B)-N\)이어야 하는 이유를 포함배제 원리로 설명하세요.

연습문제 해설 보기

(1) \(15+12-5=22\).

(2) \(30-22=8\).

(3) A만은 10, B만은 7이므로 17.

(4) \(27+24-40=11\).

(5) 합집합은 \(45-5=40\)명이므로 교집합은 \(28+25-40=13\)명.

(6) 포함 관계에서 교집합은 A, 합집합은 B이므로 각각 14, 22, 차집합은 \(22-14=8\).

(7) 교집합이 0이므로 \(16+9=25\).

(8) \(30+28+25-12-10-9+4=56\).

(9) \(65-56=9\).

(10) AB만은 8, BC만은 6, CA만은 5이므로 정확히 두 집합은 19. 세 집합 모두 4를 더하면 적어도 두 집합은 23.

(11) A만은 \(30-8-5-4=13\), B만은 \(28-8-6-4=10\), C만은 \(25-5-6-4=10\).

(12) 커피만 25명, 차만 18명, 정확히 하나 43명, 합집합은 63명이므로 어느 것도 아닌 사람은 17명.

(13) 포함배제 결과 합집합이 \(30+25-10=45\)명으로 전체 40명을 초과하므로 불가능합니다. 교집합은 적어도 15명이어야 합니다.

(14) \(n(A\cup B)=n(A)+n(B)-n(A\cap B)\le N\)이므로 이항하면 \(n(A\cap B)\ge n(A)+n(B)-N\)입니다.

Checkpoint

전체 40명 중 A를 좋아하는 학생이 22명, B를 좋아하는 학생이 18명, 둘 다 좋아하는 학생이 7명입니다. A 또는 B를 좋아하는 학생, 정확히 하나만 좋아하는 학생, 어느 것도 좋아하지 않는 학생은 각각 몇 명인지 구하세요.

정답과 해설 보기

합집합은 \(22+18-7=33\)명입니다. A만은 \(22-7=15\)명, B만은 \(18-7=11\)명이므로 정확히 하나만 좋아하는 학생은 26명입니다. 어느 것도 좋아하지 않는 학생은 \(40-33=7\)명입니다.