수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

(가) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에서 이웃하는 두 항의 차bn=an+1−an(n=1,2,3,⋯ )\displaystyle b_n=a_{n+1}-a_n\quad(n=1,2,3,\cdots)으로 이루어진 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}을 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 계차수열이라고 한다. 계차수열을 이용하여 수열의 일반항을 구할 수 있다. 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 계차수열을 {bn}\displaystyle \{b_n\}이라고 하면, 정의로부터b1=a2−a1b2=a3−a2b3=a4−a3⋮bn−1=an−an−1\displaystyle \begin{aligned}b_1&=a_2-a_1\\b_2&=a_3-a_2\\b_3&=a_4-a_3\\&\vdots\\b_{n-1}&=a_n-a_{n-1}\end{aligned}이므로 위의 (n−1)\displaystyle (n-1)개의 등식을 더하면 b1+b2+b3+⋯+bn−1=an−a1\displaystyle b_1+b_2+b_3+\cdots+b_{n-1}=a_n-a_1 이다. 따라서 다음 식을 얻는다.an=a1+∑k=1n−1bk(단, n≥2)\displaystyle a_n=a_1+\sum_{k=1}^{n-1}b_k\quad(\text{단, }n\ge2)

(나) 중세 이탈리아의 수학자 피보나치는 그의 저서에서 (생물학적으로 비현실적이지만) 이상적인 토끼의 개체 수 변화를 생각하였다. 한 쌍의 새끼 토끼가 한 달이 되면 성숙하여 다음 달부터 매월 한 쌍의 새끼를 낳는다. 또, 새로 태어난 한 쌍의 토끼도 한 달이 지나면 성숙하여 그 다음 달부터 매월 한 쌍의 새끼를 낳는다. 이와 같은 식으로 계속해 갈 때, 제 n\displaystyle n월 전체 토끼의 쌍의 수를 fn\displaystyle f_n이라 하자. 제 (n+2)\displaystyle (n+2)월 성숙한 토끼의 쌍의 수는 제 (n+1)\displaystyle (n+1)월 전체 토끼의 쌍의 수와 같고, 새끼 토끼 쌍의 수는 제 n\displaystyle n월 전체 토끼의 쌍의 수와 같으므로 수열 {fn}\displaystyle \{f_n\}은 아래 식들을 만족하게 된다.(ㄱ) f1=1,  f2=1\displaystyle f_1=1,\;f_2=1(ㄴ) fn+2=fn+1+fn(n≥1)\displaystyle f_{n+2}=f_{n+1}+f_n\quad(n\ge1)이와 같이 정의된 수열 {fn}\displaystyle \{f_n\}을 피보나치(Fibonacci) 수열이라 한다.

(다) 피보나치 수열의 일반항은 간단히 표현할 수 있다. 이 공식은 드 므와브르(De Moivre)에 의하여 처음으로 발견되었지만 비네(Binet)의 공식으로 더 잘 알려져 있다. 점화식으로부터 비네의 공식을 얻는 과정을 알아보자. 우선 점화식 (ㄴ)을fn+2−αfn+1=β(fn+1−αfn)\displaystyle f_{n+2}-\alpha f_{n+1}=\beta(f_{n+1}-\alpha f_n)으로 바꾸어 적는다. 이렇게 변형하기 위해서는 α+β=1\displaystyle \alpha+\beta=1, αβ=−1\displaystyle \alpha\beta=-1을 만족하는 두 수 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta를 구해야 한다. 즉, α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 t\displaystyle t에 관한 이차방정식 t2−t−1=0\displaystyle t^2-t-1=0의 두 근이다. 따라서 수열 fn+1−αfn\displaystyle {f_{n+1}-\alpha f_n} 은 첫째항이 f2−αf1=1−α=β\displaystyle f_2-\alpha f_1=1-\alpha=\beta 이고 공비가 β\displaystyle \beta인 등비수열이므로 fn+1−αfn=βn  (n≥1)\displaystyle f_{n+1}-\alpha f_n=\beta^n\;(n\ge1)을 얻는다. 이 식의 양변을 αn+1\displaystyle \alpha^{n+1}로 나누면 fn+1αn+1−fnαn=1α(βα)n\displaystyle \frac{f_{n+1}}{\alpha^{n+1}}-\frac{f_n}{\alpha^n}=\frac1\alpha\left(\frac\beta\alpha\right)^n이므로 수열 {fnαn}\displaystyle \left\{\frac{f_n}{\alpha^n}\right\}의 계차수열을 얻는다. 계차수열로부터 원래 수열의 일반항을 구하는 공식을 적용하면 n≥2\displaystyle n\ge2에 대한 아래 식을 얻는다.fnαn=1α+∑k=1n−11α(βα)k=1α+1α(βα)βα−1((βα)n−1−1)=1β−α((βα)n−1)\displaystyle \frac{f_n}{\alpha^n}=\frac1\alpha+\sum_{k=1}^{n-1}\frac1\alpha\left(\frac\beta\alpha\right)^k=\frac1\alpha+\frac{\frac1\alpha\left(\frac\beta\alpha\right)}{\frac\beta\alpha-1}\left(\left(\frac\beta\alpha\right)^{n-1}-1\right)=\frac1{\beta-\alpha}\left(\left(\frac\beta\alpha\right)^n-1\right)이제 이 식의 양변에 αn\displaystyle \alpha^n을 곱하여 피보나치 수열의 일반항에 관한 비네의 공식을 얻게 된다.fn=1β−α(βn−αn)\displaystyle f_n=\frac1{\beta-\alpha}(\beta^n-\alpha^n)비네의 공식은 피보나치 수열과 관련된 여러 식을 증명할 때 유용하다. 예를 들어, 비네의 공식으로부터 다음 극한 공식을 쉽게 확인할 수 있다.lim⁡n→∞fn+1fn=1+52\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{f_{n+1}}{f_n}=\frac{1+\sqrt5}2

(라) 두 양수 a\displaystyle a, b\displaystyle b (단, a>b\displaystyle a>b)가 황금비(golden ratio)를 이룬다는 것은 큰 수에 대한 두 수의 합의 비가 작은 수에 대한 큰 수의 비와 같을 때이다. 아래 그림은 이와 같은 관계를 잘 나타낸다.

황금비를 이루는 직사각형

이를 수식으로 표현하면 (a+b):a=a:b\displaystyle (a+b):a=a:b, 즉 a+ba=ab\displaystyle \frac{a+b}a=\frac ab가 성립한다. 이때 ab\displaystyle \frac ab를 황금비라고 한다. 황금삼각형(golden triangle)이라 부르는 특별한 형태의 이등변삼각형이 있다. 이 이등변삼각형은, 한 밑각의 이등분선이 만드는 두 작은 삼각형 중 하나와 닮은꼴이다. 황금삼각형은 황금비와 깊은 관련이 있다.

[문제 2-1] (10점) a1=1\displaystyle a_1=1, (2n+3n)anan+1=an−an+1  (n≥1)\displaystyle (2^n+3^n)a_na_{n+1}=a_n-a_{n+1}\;(n\ge1)로 정의되는 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에 대하여 lim⁡n→∞an+2an\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_{n+2}}{a_n}을 구하라.

[문제 2-2] (10점) 피보나치 수열 {fn}\displaystyle \{f_n\}에 대하여, 무한급수 ∑n=1∞fn+1fnfn+2\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{f_{n+1}}{f_nf_{n+2}} 의 합을 구하라.

[문제 2-3] (10점) 2 이상의 모든 짝수 k\displaystyle k에 대하여 아래 식이 성립함을 보여라.fk−1f2k−fk=fkf2k−1\displaystyle f_{k-1}f_{2k}-f_k=f_kf_{2k-1}

[문제 2-4] (10점) 제시문의 내용을 바탕으로 다음 질문에 답하라.1) 황금비가 만족하는 정수 계수의 이차방정식을 유도하라.2) 문항 1)에서 구한 방정식을 이용하여 황금비와 황금비의 역수는 소수점 이하의 값이 일치함을 보여라.

[문제 2-5] (10점) 아래 그림과 같이 한 변의 길이가 1인 정오각형 ABCDE\displaystyle ABCDE가 있다.

한 변의 길이가 1인 정오각형 ABCDE

1) 세 꼭짓점으로 이루어진 삼각형 ACD\displaystyle ACD가 황금삼각형임을 보여라.2) 선분 AC‾\displaystyle \overline{AC}의 길이를 구하라.

해설강의 준비중

[문제 2-1] 점화식으로부터 일반항은 0이 될 수 없음을 알 수 있다. 점화식의 양변을 anan+1\displaystyle a_na_{n+1}으로 나누면 1an+1−1an=2n+3n\displaystyle \frac1{a_{n+1}}-\frac1{a_n}=2^n+3^n 을 얻는다. 즉, 수열 {1an}\displaystyle \left\{\frac1{a_n}\right\}의 계차수열의 일반항을 얻는다. 〈제시문 가〉에 따라 n≥2\displaystyle n\ge2 에 대하여1an=1a1+∑k=1n−1(2k+3k)=1+2(2n−1−1)2−1+3(3n−1−1)3−1=2n+3n2−52\displaystyle \frac1{a_n}=\frac1{a_1}+\sum_{k=1}^{n-1}(2^k+3^k)=1+\frac{2(2^{n-1}-1)}{2-1}+\frac{3(3^{n-1}-1)}{3-1}=2^n+\frac{3^n}2-\frac52즉 an=22n+1+3n−5\displaystyle a_n=\frac2{2^{n+1}+3^n-5} 를 얻는다.lim⁡n→∞an+2an=lim⁡n→∞22n+3+3n+2−522n+1+3n−5=lim⁡n→∞2n+1+3n−52n+3+3n+2−5≡lim⁡n→∞2(23)n+1−(53n)8(23)n+9−(53n)=19\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_{n+2}}{a_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac2{2^{n+3}+3^{n+2}-5}}{\frac2{2^{n+1}+3^n-5}}=\lim_{n\to\infty}\frac{2^{n+1}+3^n-5}{2^{n+3}+3^{n+2}-5}\equiv\lim_{n\to\infty}\frac{2\left(\frac23\right)^n+1-\left(\frac5{3^n}\right)}{8\left(\frac23\right)^n+9-\left(\frac5{3^n}\right)}=\frac19

[문제 2-2] 피보나치 수열의 점화식으로부터fn+1fnfn+2=fn+2−fnfnfn+2=1fn−1fn+2\displaystyle \frac{f_{n+1}}{f_nf_{n+2}}=\frac{f_{n+2}-f_n}{f_nf_{n+2}}=\frac1{f_n}-\frac1{f_{n+2}} 을 얻는다.이로부터 주어진 무한급수의 부분합에 대한 다음 식을 얻는다.Sn=∑k=1nfk+1fkfk+2=∑k=1n(1fk−1fk+2)=(1f1−1f3)+(1f2−1f4)+⋯+(1fn−1−1fn+1)+(1fn−1fn+2)=1f1+1f2−1fn+1−1fn+2=2−1fn+1−1fn+2\displaystyle \begin{aligned}S_n&=\sum_{k=1}^n\frac{f_{k+1}}{f_kf_{k+2}}=\sum_{k=1}^n\left(\frac1{f_k}-\frac1{f_{k+2}}\right)\\&=\left(\frac1{f_1}-\frac1{f_3}\right)+\left(\frac1{f_2}-\frac1{f_4}\right)+\cdots+\left(\frac1{f_{n-1}}-\frac1{f_{n+1}}\right)+\left(\frac1{f_n}-\frac1{f_{n+2}}\right)\\&=\frac1{f_1}+\frac1{f_2}-\frac1{f_{n+1}}-\frac1{f_{n+2}}=2-\frac1{f_{n+1}}-\frac1{f_{n+2}}\end{aligned}점화식으로부터 lim⁡n→∞fn=∞\displaystyle \lim_{n\to\infty}f_n=\infty이고 무한급수의 합은 부분합의 극한이므로 lim⁡n→∞Sn=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=2이다.

[문제 2-3] 문제 식의 좌변을 L\displaystyle L, 우변을 R\displaystyle R이라 하자. 〈제시문 다〉 비네의 공식을 이용하여 정리하면(β−α)2L=(βk−1−αk−1)(β2k−α2k)−(β−α)(βk−αk)=β3k−1+α3k−1−αk−1βk−1(βk+1+αk+1)−βk+1−αk+1+αβ(βk−1+αk−1)\displaystyle \begin{aligned}(\beta-\alpha)^2L&=(\beta^{k-1}-\alpha^{k-1})(\beta^{2k}-\alpha^{2k})-(\beta-\alpha)(\beta^k-\alpha^k)\\&=\beta^{3k-1}+\alpha^{3k-1}-\alpha^{k-1}\beta^{k-1}(\beta^{k+1}+\alpha^{k+1})-\beta^{k+1}-\alpha^{k+1}+\alpha\beta(\beta^{k-1}+\alpha^{k-1})\end{aligned}그리고(β−α)2R=(βk−αk)(β2k−1−α2k−1)=β3k−1+α3k−1−αkβk(βk−1+αk−1)\displaystyle \begin{aligned}(\beta-\alpha)^2R&=(\beta^k-\alpha^k)(\beta^{2k-1}-\alpha^{2k-1})\\&=\beta^{3k-1}+\alpha^{3k-1}-\alpha^k\beta^k(\beta^{k-1}+\alpha^{k-1})\end{aligned}한편, 이차방정식의 근과 계수와의 관계로부터 αβ=−1\displaystyle \alpha\beta=-1, 그리고 k\displaystyle k는 짝수이므로 αk−1βk−1=−1\displaystyle \alpha^{k-1}\beta^{k-1}=-1, αkβk=1\displaystyle \alpha^k\beta^k=1이 각각 성립한다.이를 이용하여 정리하면, 아래 식을 얻는다.(β−α)2L=β3k−1+α3k−1+(βk+1+αk+1)−(βk+1+αk+1)−(βk−1+αk−1)=β3k−1+α3k−1−(βk−1+αk−1),(β−α)2R=β3k−1+α3k−1−(βk−1+αk−1)\displaystyle \begin{aligned}(\beta-\alpha)^2L&=\beta^{3k-1}+\alpha^{3k-1}+(\beta^{k+1}+\alpha^{k+1})-(\beta^{k+1}+\alpha^{k+1})-(\beta^{k-1}+\alpha^{k-1})\\&=\beta^{3k-1}+\alpha^{3k-1}-(\beta^{k-1}+\alpha^{k-1}),\\(\beta-\alpha)^2R&=\beta^{3k-1}+\alpha^{3k-1}-(\beta^{k-1}+\alpha^{k-1})\end{aligned}두 식으로부터 L=R\displaystyle L=R 을 얻는다.

[문제 2-4] 1) 〈제시문 라〉에 의하면 황금비는 양수 a\displaystyle a, b\displaystyle b가 식 (a+b)a=ab\displaystyle \frac{(a+b)}a=\frac ab 를 만족할 때 ab\displaystyle \frac ab의 값이다. (a+b)b=a2\displaystyle (a+b)b=a^2 에서 양변을 b2\displaystyle b^2으로 나누면 ab+1=(ab)2\displaystyle \frac ab+1=\left(\frac ab\right)^2 을 얻게 되어 황금비는 이차 방정식 t2−t−1=0\displaystyle t^2-t-1=0 의 양수 근임을 알 수 있다.2) 이제 황금비를 φ\displaystyle \varphi라 하면, φ2−φ−1=0\displaystyle \varphi^2-\varphi-1=0이 성립한다. 이 식의 양변을 φ\displaystyle \varphi로 나누면 φ−1φ=1\displaystyle \varphi-\frac1\varphi=1을 얻게 된다. 즉, 황금비와 황금비의 역수의 차는 1이다. 따라서 황금비와 황금비의 역수의 소수점 이하 값은 일치한다.

[문제 2-5] 정오각형의 한 각의 크기는 180∘⋅(5−2)/5=108∘\displaystyle 180^\circ\cdot(5-2)/5=108^\circ이다. △ABC\displaystyle \triangle ABC는 이등변삼각형이므로 ∠CAB=∠BCA=(180∘−108∘)/2=36∘\displaystyle \angle CAB=\angle BCA=(180^\circ-108^\circ)/2=36^\circ. 이로부터 ∠ACD=108∘−36∘=72∘\displaystyle \angle ACD=108^\circ-36^\circ=72^\circ를 얻는다. 마찬가지로 ∠ADC=72∘\displaystyle \angle ADC=72^\circ이다. ∠ACD\displaystyle \angle ACD의 이등분선이 선분 AD\displaystyle AD와 만나는 점을 P\displaystyle P라 하자. ∠PCD\displaystyle \angle PCD의 크기는 72∘/2=36∘\displaystyle 72^\circ/2=36^\circ이다. 따라서 △ACD\displaystyle \triangle ACD와 △CDP\displaystyle \triangle CDP는 닮음이다.선분 AC‾\displaystyle \overline{AC} 의 길이를 x\displaystyle x라 하면 각의 이등분선의 성질에 의하여 AP‾:PD‾=x:1\displaystyle \overline{AP}:\overline{PD}=x:1을 얻는다. 한편 AP‾+PD‾=AD‾=x\displaystyle \overline{AP}+\overline{PD}=\overline{AD}=x 가 성립하므로 PD‾=x1+x\displaystyle \overline{PD}=\frac{x}{1+x} 를 얻는다. 닮은 삼각형의 성질로부터 x:1=1:x1+x\displaystyle x:1=1:\frac{x}{1+x}, 즉 x2−x−1=0\displaystyle x^2-x-1=0이 성립한다. 이 식을 풀면 x=1+52\displaystyle x=\frac{1+\sqrt5}2 를 얻는다.

정오각형의 대각선과 황금삼각형의 닮음

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