아주대 2013학년도 수시 2차 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/ajou/2013su_2/jayeon_2
문제
(가) 수열 에서 이웃하는 두 항의 차으로 이루어진 수열 을 수열 의 계차수열이라고 한다. 계차수열을 이용하여 수열의 일반항을 구할 수 있다. 수열 의 계차수열을 이라고 하면, 정의로부터이므로 위의 개의 등식을 더하면 이다. 따라서 다음 식을 얻는다.
(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 월 전체 토끼의 쌍의 수를 이라 하자. 제 월 성숙한 토끼의 쌍의 수는 제 월 전체 토끼의 쌍의 수와 같고, 새끼 토끼 쌍의 수는 제 월 전체 토끼의 쌍의 수와 같으므로 수열 은 아래 식들을 만족하게 된다.(ㄱ) (ㄴ) 이와 같이 정의된 수열 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)을으로 바꾸어 적는다. 이렇게 변형하기 위해서는 , 을 만족하는 두 수 , 를 구해야 한다. 즉, , 는 에 관한 이차방정식 의 두 근이다. 따라서 수열 은 첫째항이 이고 공비가 인 등비수열이므로 을 얻는다. 이 식의 양변을 로 나누면 이므로 수열 의 계차수열을 얻는다. 계차수열로부터 원래 수열의 일반항을 구하는 공식을 적용하면 에 대한 아래 식을 얻는다.이제 이 식의 양변에 을 곱하여 피보나치 수열의 일반항에 관한 비네의 공식을 얻게 된다.비네의 공식은 피보나치 수열과 관련된 여러 식을 증명할 때 유용하다. 예를 들어, 비네의 공식으로부터 다음 극한 공식을 쉽게 확인할 수 있다.
(라) 두 양수 , (단, )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.

이를 수식으로 표현하면 , 즉 가 성립한다. 이때 를 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) , 로 정의되는 수열 에 대하여 을 구하라.
[문제 2-2] (10점) 피보나치 수열 에 대하여, 무한급수 의 합을 구하라.
[문제 2-3] (10점) 2 이상의 모든 짝수 에 대하여 아래 식이 성립함을 보여라.
[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 가 있다.

1) 세 꼭짓점으로 이루어진 삼각형 가 황금삼각형임을 보여라.2) 선분 의 길이를 구하라.
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[문제 2-1] 점화식으로부터 일반항은 0이 될 수 없음을 알 수 있다. 점화식의 양변을 으로 나누면 을 얻는다. 즉, 수열 의 계차수열의 일반항을 얻는다. 〈제시문 가〉에 따라 에 대하여즉 를 얻는다.
[문제 2-2] 피보나치 수열의 점화식으로부터 을 얻는다.이로부터 주어진 무한급수의 부분합에 대한 다음 식을 얻는다.점화식으로부터 이고 무한급수의 합은 부분합의 극한이므로 이다.
[문제 2-3] 문제 식의 좌변을 , 우변을 이라 하자. 〈제시문 다〉 비네의 공식을 이용하여 정리하면그리고한편, 이차방정식의 근과 계수와의 관계로부터 , 그리고 는 짝수이므로 , 이 각각 성립한다.이를 이용하여 정리하면, 아래 식을 얻는다.두 식으로부터 을 얻는다.
[문제 2-4] 1) 〈제시문 라〉에 의하면 황금비는 양수 , 가 식 를 만족할 때 의 값이다. 에서 양변을 으로 나누면 을 얻게 되어 황금비는 이차 방정식 의 양수 근임을 알 수 있다.2) 이제 황금비를 라 하면, 이 성립한다. 이 식의 양변을 로 나누면 을 얻게 된다. 즉, 황금비와 황금비의 역수의 차는 1이다. 따라서 황금비와 황금비의 역수의 소수점 이하 값은 일치한다.
[문제 2-5] 정오각형의 한 각의 크기는 이다. 는 이등변삼각형이므로 . 이로부터 를 얻는다. 마찬가지로 이다. 의 이등분선이 선분 와 만나는 점을 라 하자. 의 크기는 이다. 따라서 와 는 닮음이다.선분 의 길이를 라 하면 각의 이등분선의 성질에 의하여 을 얻는다. 한편 가 성립하므로 를 얻는다. 닮은 삼각형의 성질로부터 , 즉 이 성립한다. 이 식을 풀면 를 얻는다.

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