다섯 쌍을 되찾는 괄호, 두 종류면 충분할까요?

괄호 두 종류로 다섯 쌍을 다시 찾을 수 있을까요? 열 칸의 순서를 지키며 최소 세 종류가 필요한 이유와 서로 다른 표기 30개를 구성하는 방법을 살펴봐요.

꺼진 노트북과 키보드 앞에 놓인 무지 종이 조각

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

ViennaRNA는 중첩되지 않는 결합쌍을 여러 괄호로 표시해요. 이를 바탕으로 교사는 기록을 되찾는 종이 활동을 만들어요. 실제 분자 예측은 하지 않아요. 1~10번 칸의 쌍을 A=(1,4), B=(2,9), C=(7,10), D=(5,8), E=(3,6)으로 고정해요. 각 쌍에는 괄호 한 종류만 배정해요. 1번(), 2번[], 3번{} 중 골라 작은 번호에 여는 기호, 큰 번호에 닫는 기호를 써요. 칸을 옮기거나 비우지 않아요. 같은 종류의 닫는 기호는 가장 나중에 열린 미완료 기호와 짝지어요. 원래 다섯 쌍을 되찾는 최소 종류 수와 모든 최소 표기를 구해 볼까요? 각 쌍의 배정 함수는 f, 사용 종류 수는 r, 최소 표기 수는 N입니다.

f:{A,B,C,D,E}→{1,2,3},(i,j)⋈(k,l) ⟺ i<k<j<l(i<j, k<l, i<k).\begin{gathered}f:\{A,B,C,D,E\}\to\{1,2,3\},\\(i,j)\bowtie(k,l)\ \Longleftrightarrow\ i<k<j<l\quad(i<j,\ k<l,\ i<k).\end{gathered}

같은 종류의 교차쌍은 먼저 닫는 칸이 늦게 열린 기호와 연결되어 실패해요. 교차가 없으면 안쪽부터 닫혀 정확히 복원돼요. 교차쌍은 AB·BC·CD·DE·EA뿐이에요. 두 종류를 번갈아 배정하면 A와 E가 같아져 실패해요. A·C에(), B·D에[], E에{}를 쓰면 ([{)[}(]])가 되어 성공해요.

rmin⁡=3,N=5⋅3⋅2=30.r_{\min}=3,\qquad N=5\cdot3\cdot2=30.

최소는 세 종류예요. 같은 종류는 최대 두 쌍이므로 배정 개수는 2·2·1입니다. 홀로 남는 쌍을 다섯 방법으로 고르면 나머지 교차관계는 한 줄로 이어져 두 종류가 번갈아 정해져요. 홀로 쓰는 종류 세 선택과 첫 종류 두 선택을 곱해 30개예요. 모두 같은 결합쌍을 되찾지만 표기 문자열은 달라요. 공통수학의 함수처럼 각 쌍의 배정은 하나예요.

착안: ViennaRNA, RNA Structures의 완전한 괄호 표기 설명을 읽었어요. 열 칸의 쌍·해독 조건·문항·증명은 자체 교육용으로 작성했으며 원문 도판은 옮기지 않았어요.

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