경시대회

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1. 개요
2. 준비 방법



1. 개요[편집]




한 분야의 특기자들이 모두 모여 시험을 치르거나 일정한 과제를 수행하여 우수한 사람을 가리는 대회의 총칭.

경시대회 자체는 여러 가지가 있지만 가장 규모가 큰 분야는 단연 수학. 경시대회라는 말 자체가 좁은 의미로는 수학 및 과학 경시대회를 일컫는다. 일선 교육청에서 실시하는 공립 경시대회와 대학이나 단체 등이 자체적으로 시행하는 사설 경시대회가 있다. 공립 경시대회는 이전에는 난도가 그렇게까지는 높지 않아 훨씬 어려운 올림피아드 등지에 상당히 밀리는 편이었으나, 최근에는 사교육 및 사설대회 참가내역을 생활기록부와 자기소개서에 작성하지 못하기 때문에 인기가 꽤나 높아지고 있다. 대개 시험 범위는 중등교육과정에 따라 출제되는 편이지만 학교 수업에서는 가르쳐주지 않는 아스트랄한 유형의 문제가 다수 출제된다. 애초에 각 과목에 재능 있고 뛰어난 학생들이 대상이고 그런 학생들이 응시하는 시험이기 때문에 개념 이해와 응용에서 멈추지 않고 직관과 창의적 문제 해결까지에 초점을 맞춰 문제를 내기 때문. 그래도 이론상 교육과정 내의 개념으로 충분히 해결 가능한 문제들만 출제된다. 다만 올림피아드는 예외.[1] 사실 올림피아드도 교육과정 내에서 이론적으로 해결은 가능하겠으나, 시간내에 그 문제들을 풀 수 있는 사람은 존재하지 않을 것이다. 문제의 난해함이 궤를 달리하는 만큼 감이 안 오는 경우가 대부분이고 문제 자체에서 새로운 개념들을 시험시간 내에 발견해 내야 하기 때문이다.

2. 준비 방법[편집]


올림피아드(특히 지리올림피아드)를 제외하고는 해당 분야에 관심과 능력이 있는 학생이라면 어느 정도 독학이 가능하다. 수학경시대회의 경우 대비 문제집이 시중에 차고 넘치는 편이며, 기출 문제도 어렵지 않게 구할 수 있다. 교육열이 어느 정도 있는 동네라면 일선 학교에서 방과후 프로그램으로 경시대회 대비반을 만들기도 한다. 과학경시대회는 그나마 마음 먹으면 혼자 대비가 가능한 편이지만(과정이 쉽지는 않다), 경시대회에서는 상당히 마이너한 축에 드는 경제, 법 등은 대비가 쉽지 않다. 특히 법경시의 경우 국가시험에서 다루는 법과도 상당히 궤를 달리하기에 사교육으로 대비하기도 어렵다. 하여튼 일반적인 학교 내신 또는 수능과는 상당히 거리가 있는 문제 유형 및 해결 방법이 등장하기 때문에, 정말 열심히 노력해서 학교 성적이 좋은 학생이라도 경시대회에서는 빛을 못 보는 경우가 많다.[2]

수학경시의 경우 수능이나 내신 등의 입시 관련 시험들처럼 개념에 대한 완벽한 이해를 토대로 차근차근 풀어가는 수렴적 구성의 문제는 거의 출제되지 않는다고 봐도 무방하며, 그마저도 문제 형식의 한계 자체로 인해 쉬운 축에 속하는 경우가 다반사다. 수학경시를 처음 접하는 학생이라면 이걸 어떻게 시험시간 내에 생각하는지조차 의문이 들 정도로 순간적인 직관과 발상에 의존하여 논리를 전개해나가야 하는 문제들을 많이 출제한다. 개념을 확실히 다지고 많은 풀이를 통해 문제해결력을 기르는 것은 기본 중의 기본이며, 그러고 나서는 수리적 사고력의 극한인 '수학적 직관'을 길러야 하는데, 문제의 조건에 적당한 숫자들을 넣어본 뒤에 전체적인 실마리를 추론하도록 하는 이산수학적 센스를 요구하는 경우가 가장 많다.[3]

이 부분에서 수학적 재능이 빼어난 학생은 정말 쉽게 풀이를 떠올리지만 그렇지 않은 학생은 몇 시간 고민해도 답이 잘 안 나오는 경우가 허다하다. 그리고 수능에 비해 유형이 일관적이지 않고 상당히 다양하기 때문에 기출문제를 분석하는 행위의 중요성이 현저히 떨어진다. 물론 이게 도움이 안 된다는 건 아니지만, 비슷한 수준의 다른 경시대회 문제들을 많이 접하는 등의 학습으로 학문의 근본적인 사고 능력을 길러야 한다. 아래 문제를 통해 수학적 직관이 어떻게 활용되는지를 보도록 하자. 이 문제는 2004년 서울특별시 (중학교/고등학교?)(학교급 불명) 수학경시대회, 즉 국내 수학경시의 최종보스인 한국수학올림피아드하위 티어 대회의 3번 정수조합 문제이다.

철수와 영희가 게임을 한다. 철수부터 서로 번갈아 가며 0 또는 1을 2016번씩 적는다고 한다. 이렇게 만들어진 4032자리의 이진수를 십진법으로 나타낼 때, 제곱수의 합으로 표현되면 철수가 이기고, 제곱수의 합으로 표현되지 않으면 영희가 이긴다고 한다. 철수가 먼저 적을 때 영희가 반드시 이길 수 있는 방법을 구하고, 그 이유를 서술하여라.[4]
【 풀이 및 코멘트 】

영희의 필승법은 다음과 같다: 2013번째까지는 철수가 바로 전에 썼던 숫자와 같은 숫자를 쓴다. 만약 철수가 쓴 처음 2014개 수들 중 하나라도 1이 있다면 영희는 2014번째부터 끝까지 위의 전략을 계속 유지한다. 철수가 모두 0을 썼다면 영희는 2014번째와 2015번째에는 모두 1을 쓴 뒤, 마지막 2016번째는 철수가 2015번째에 쓴 것과 다른 숫자를 쓴다. 즉, 철수가 2015번째에 0을 썼다면 영희는 2016번째에 1을 쓰고 철수가 2015번째에 0을 썼다면 영희는 2016번째에 1을 쓴다. 이제 이 방법이 필승법임을 보이겠다.

Lemma: 모든 음이 아닌 두 정수 [math(n, k)]에 대해 [math(4^n(4k+3))]은 두 제곱수의 합으로 나타낼 수 없다.

[math(n)]에 대한 수학적 귀납법으로 증명하자. 제곱수를 4로 나눈 나머지는 짝수 제곱수일 때 0, 홀수 제곱수일 때 1이므로 두 제곱수의 합을 4로 나눈 나머지는 0, 1, 2이다. 그런데 [math(n=0)]이면 [math(4^n(4k+3) \equiv 3 \pmod{4})]이므로 두 제곱수의 합으로 나타낼 수 없게 된다.

이제, [math(n=m)]일때 [math(4^m(4k+3))]가 두 제곱수의 합으로 나타낼 수 없다고 가정하자. 이제 [math(n=m+1)]일 때 [math(4^{(m+1)}(4k+3)=a^2+b^2)]를 만족하는 [math(a, b)]가 존재한다고 가정한 뒤 모순을 보이겠다. [math(m+1 \geq 1)]이므로 [math(4^{(m+1)}(4k+3) \equiv 0 \pmod{4})]가 되어 [math(a, b)]가 모두 짝수가 된다. [math(a=2a', b=2b')]으로 놓으면 [math(4^{(m+1)}(4k+3)=4(a')^2+4(b')^2)]가 되고, 양변을 4로 나누면 [math(\ 4^m(4k+3)=(a')^2+(b')^2)]가 된다. 그러나, 이는 귀납법에 의한 가정에 모순되므로 [math(4^{(m+1)}(4k+3))]일 때도 두 제곱수의 합으로 나타낼 수 없게 된다. 수학적 귀납법에 의해 Lemma가 증명 완료되었다.

따라서 영희는 바로 전에 철수가 썼던 숫자와 같은 숫자를 쓸 경우 철수가 하나라도 1을 썼다면 [math(4^n(4k+3))] ([math(n, k)]는 음이 아닌 정수)꼴이 된다. 왜냐하면 이 경우 최종적으로 적힌 숫자는 낮은 자리로부터 0이 짝수번 나온 뒤 1이 두 번 이상 나오기 때문이다. 따라서 이 경우 Lemma에 의해 영희가 이긴다. 유일한 예외는 철수와 영희 모두 2016번 동안 죄다 0만 쓴 0000...0000(2)으로, 이는 0=02+02이 되어 철수가 이기기 때문에 영희로서는 이것을 피해야 한다.

철수가 처음 2014개 쓴 숫자가 모두 0일 때, 영희가 2014번째에 0을 써버릴 경우 영희는 패배를 피할 수 없게 된다. 철수가 남은 2개의 숫자 모두 0을 써버리면 영희가 만들 수 있는 숫자는 0000(2)=0, 0001(2)=1, 0100(2)=4, 0101(2)=5 이 네 개 뿐인데, 0=02+02, 1=12+02, 4=22+02, 5=22+12이므로 모두 철수가 승리하게 되기 때문이다. 따라서 철수가 처음 2014개 쓴 숫자가 모두 0이라면, 영희는 본래의 전략을 버리고 2014번째에 1을 써야 한다.

이렇게 했을 경우 나올 수 있는 숫자는 10000(2)=16부터 11111(2)=31이고, 이들 중 두 제곱수의 합으로 나올 수 있는 숫자, 즉 영희가 피해야 하는 숫자는 16=42+02, 17=42+12, 18=32+32, 20=42+22, 25=52+02, 26=52+12, 29=52+22로 모두 7개이다.

만약 철수가 2015번째에 0을 썼다면, 영희는 2015번째와 2016번째에 모두 1을 쓰게 되고, 이 경우 만들어질 수 있는 숫자는 10101(2)=21과 10111(2)=23 두 개 뿐이다. 이들 중 어느 것도 두 제곱수의 합이 되지 않으므로 철수가 2016번째에 쓴 숫자에 관계없이 영희가 이긴다.

만약 철수가 2015번째에 1을 썼다면, 영희는 2015번째에 1, 2016번째에 0을 쓰게 되고, 이 경우 만들어질 수 있는 숫자는 11100(2)=28과 11110(2)=30 두 개 뿐이다. 이들 중 어느 것도 두 제곱수의 합이 되지 않으므로 철수가 2016번째에 쓴 숫자에 관계없이 영희가 이긴다.

이상에서 상술한 방법이 필승법임이 밝혀졌으므로 증명이 완료되었다.

문제의 전체적인 풀이를 보면, 이 문제는 전체적으로 세 가지를 물어본다: ‘영희가 이기려면 전체적으로 어떻게 해야 하는가?’, ‘영희는 기본적인 전략을 어떻게 짜야 하는가?’, ‘영희가 기본적으로 짠 전략에 아무런 결함이 없는가? 결함이 있다면 그 결함을 어떻게 처리해야 할 것인가?’가 그것.

전체적으로 이기려면 어떻게 해야 하는지에 대해서는 일단 ‘제곱수로 나타낼 수 없다’는 보통 4 혹은 8로 나눈 나머지에 대해서 물으니 거기에서 답을 찾는다. 거기에서 4로 나눈 나머지가 3이 되면 안된다는 사실을 알게 된다면 4로 나눈 나머지가 3이 되려면 어떻게 해야되는지를 보고 ‘아! 마지막에 철수가 1을 쓴다면 영희도 1을 쓰면 4로 나눈 나머지가 3이 되므로 영희가 이기겠구나!’를 깨닫는 것이 이 문제의 첫 번째 핵심이다.

그러면 ‘만약에 마지막에 철수가 0을 쓴다면 어떻게 해야 하는가?’라는 의문에 들어가게 되고 그러면 영희가 0을 쓰느냐 1을 쓰느냐에 따라 4로 나눈 나머지가 각각 0 또는 1이 되는데, ‘4로 나눈 나머지가 1이라면 앞으로의 해결이 곤란해지지만, 0이라면 두 제곱수의 합이 4의 배수가 된다는 말인데, 이러려면 두 제곱수가 모두 짝수가 되어 제곱수 각각을 2로 나누면 되겠구나! 그러면 전체는 4로 나누어지므로 맨 끝 2개의 0을 지울 수 있겠어!’라는 발상이 나온다. 이는 문제가 나온 2004년 바로 전 해인 2003년 한국수학올림피아드 중등부 문제에서 나온 발상이기도 하다. 이것을 간파하는 것이 두 번째 핵심.

그러면 맨 마지막에 철수가 0을 쓰든 1을 쓰든 영희는 철수가 썼던 것과 똑같은 것을 쓰면 상관없어지므로 더 이상 맨 마지막 2자리 숫자는 생각할 필요가 없게 된다. 이는 끝에서 2번째, 즉 2015번째로 철수와 영희가 쓰는 숫자에 대해서 집중하게 되는 꼴이 되기 때문에, 상황은 크게 다르지 않게 된다. 같은 방식으로 계속 생각해내면 ‘결국 철수가 무엇을 쓰든 영희가 똑같이 쓰기만 한다면 결국에는 두 제곱수의 합으로 나올 수 없게 되는구나!’라는 대강 결론에 도달한다. 하지만 이 이 문제에는 이러한 결론에 대해서 치명적인 결함이 존재한다. ‘그렇게 하면 항상 영희가 이기나? 어? 만약 그렇게 하다가 철수가 계속 0을 쓴다면? 0000...0000(2)이 되어서 철수가 이기네? 그러면 이것을 필히 막아야 하는데, 어디서 막아야 하지...’라는 생각을 또 하게 되고 ‘너무 늦지 않으면서(즉, 철수의 승리를 막을 수 있으면서) 최대한 간결하게(제한 시간이 있으므로) 결함 처리를 끝내는 타이밍 찾기’로 넘어가게 된다. 이것이 이 문제의 마지막 핵심이다.

그러려면 가장 먼저 제일 마지막인 2016번째에서 전략을 트는 것을 먼저 생각해봐야 하는 것이 당연한 이치이다. 하지만 2016번째에서 전략을 틀기에는 너무 늦어버린다는 사실이 나온다. 그러므로 더 전인 2015번째에서 전략을 트는 것을 생각한 뒤, 2015번째에서 전략을 틀어도 너무 늦어버린다는 사실을 알아내야 한다. 다음은 2014번째에서 전략을 트는 것을 생각해보는 것이다. 여기에서는 2014번째에서 전략을 틀어도 늦지 않는다는 것이 밝혀지므로 생각을 끝낼 수 있지만, 만약에 여기에서도 안 된다면 2013번째, 2012번째... 등에서 전략을 트는 것으로 또 생각을 해야 할 것이다.


경제경시나 법경시의 경우 학교 교육과정을 조금 벗어난 내용도 많이 나오는 편이다. 경제는 완벽한 개념 이해와 문제 풀이법을 충분히 숙달하는 것이 중요하다. 그나마 유형 자체가 완전히 새로운 경우는 적다. 고등학생에게 던져줄 만한 경제개념에 한계가 있으므로... 반면 법경시는 그런 거 없다. 사법시험처럼 법을 해석하는 데 초점이 맞춰진 것이 아니라, 이런이런 규정의 존재를 알고 있는지가 더 우선시된다. 기본적으로 고교생 대상인 관계로 자세한 법철학이나 어려운 사안에 대한 판례 같은 건 나오지 않으며, 일상 생활에 필요한 수준의 법률 규정을 알고 있다면 충분히 풀 수 있다. 이를테면 '대학생의 과외 행위는 신고하지 않아도 된다'던지. 그렇지만 간단한 민법과 형법 등이 나오기는 한다.

국내 대학 입시 등에서 가산점이 되는 경우는 거의 없으므로 올림피아드 등의 큰 대회에서 메이저급 상을 받을만한 엄청 빼어난 영재가 아닌 이상 어지간하면 그냥 나가지 않거나 나가더라도 재미로만 나가는 것이 나을 수도 있다. 스스로가 국내 입시 시험의 킬러 문제들은 고사하고 그보다 훨씬 어려운 경시 수준의 온갖 난해한 문제를 일부러 찾아와 풀어내기 좋아하는 성격과 실력을 갖춘 게 아니라면 사실상 머리만 아프고 별 도움도 안 된다. 특히 수학은 더더욱.[5]

하지만 미국, 영국 등 해외 대학 입시에서는 써먹을 수 있으며, 게다가 싱가포르의 경우 올림피아드 전형이 따로 있다. 특히 국제 과학 올림피아드들은 다양한 교육과정 출신의 학생들을 동일한 잣대로 평가하는 공신력 있는 자료 중 하나로 잘 사용된다. 유학 문서 참고.


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[1] 올림피아드는 따로 사교육을 받지 않고는 문제를 어떻게 풀어야 할지 감도 안 오는 문제들이 대부분이다. 풀이 과정에도 대놓고 교육과정 초월 개념들이 등장한다. 특히 KGeO는 아예 과거 시험지 조차 공개하지 않아 어떤 형식의 문제가 나올지 모른다. [2] 반대로 경시대회에서는 우수한 결과를 내놓고 정작 학교시험은 성적이 낮은 케이스도 적게나마 있다.[3] 이게 꼭 정수론이나 조합론 같은 이산수학적인 분야에만 그렇냐면 또 꼭 그렇지만은 않다. 대표적으로 함수방정식에서도 이러한 센스가 필수다. 그 이유는 이산수학이 이러한 '문제해결'의 기본기이자 그 자체이기 때문이다.[4] 사실 이 문제에는 소문항이 3개 있는 문제로, 예시로 나온 문제는 그중 마지막 소문항이다. 앞의 두 소문항은 ‘두 제곱수를 4로 나눈 나머지가 될 수 있는 것을 모두 구하여라’와 ‘이진법으로 나타낸 수가 낮은 자라로부터 숫자 0이 연속적으로 짝수번 나오고 나서 1이 두 번 이상 나오면 이 자연수는 [math(4^n(4k+3))]꼴임을 보여라’이다. 하지만 이 두 소문항 자체에는 아무런 실질적인 풀이가 없고 힌트만 주려는 목적이며, 지금은 시험을 푸는 것이 아니므로 최대한 힌트가 없는 상황에서 해결하는 것이 가장 좋기 때문에, 앞의 두 소문항을 생략한다.[5] 수학의 경우는 미국의 유명한 수학 문제풀이 커뮤니티인 AoPS(Art of Problem Solving)이 유명하다.