수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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논술 피타고라스의 수

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[논제 1] (배점 10점)

직각삼각형의 세 변 x,y,z\displaystyle x,y,z가 이 순서대로 등비수열을 이루므로 r\displaystyle r을 공비라고 하면, y=xr,z=xr2\displaystyle y=xr,z=xr^{2}이다. x,xr,xr2\displaystyle x,xr,xr^{2}는 삼각형의 세변의 길이이므로 x>0,xr>0,xr2>0\displaystyle x>0,xr>0,xr^{2}>0이다. 따라서 r>0\displaystyle r>0 이다. r>1\displaystyle r>1인 경우는 세변의 길이는 x<xr<xr2\displaystyle x<xr<xr^{2}이고, 0<r<1\displaystyle 0<r<1인 경우는 x>xr>xr2\displaystyle x>xr>xr^{2}이다.(r=1\displaystyle r=1인 경우는 피타고라스 정리를 만족하지 못한다.)

x,xr,xr2\displaystyle x,xr,xr^{2}은 직각삼각형의 세 변의 길이이므로 피타고라스 정리에 의해 다음 ①, ② 중 하나를 만족한다.x2+(xr)2=(xr2)2\displaystyle x^{2}+(xr)^{2}=(xr^{2})^{2}에서 r4r21=0\displaystyle r^{4}-r^{2}-1=0\cdots\cdots(xr)2+(xr2)2=x2\displaystyle (xr)^{2}+(xr^{2})^{2}=x^{2}에서 r4+r21=0\displaystyle r^{4}+r^{2}-1=0\cdots\cdots

위의 r\displaystyle r에 관한 방정식 ①, ②에서 r>0\displaystyle r>0인 실수 r\displaystyle r의 해를 구하면①에서 r=2+252\displaystyle r=\frac{\sqrt{2+2\sqrt{5}}}{2}, ②에서 r=2+252\displaystyle r=\frac{\sqrt{-2+2\sqrt{5}}}{2} 이다.

[논제 2] (배점 10점)

직각삼각형 T(a,b,c)\displaystyle \mathrm{T}(a,b,c)의 넓이와 둘레의 길이가 같으므로a+b+c=12ab\displaystyle a+b+c=\frac{1}{2}ab\cdots\cdots이고, 피타고라스 정리에 의해a2+b2=c2\displaystyle a^{2}+b^{2}=c^{2}\cdots\cdots이다. ①로부터 얻은 c=12abab\displaystyle c=\frac{1}{2}ab-a-b를 ②에 대입하면a2+b2=(12abab)2=14a2b2+a2+b2a2bab2+2ab\displaystyle a^{2}+b^{2}=\left(\frac{1}{2}ab-a-b\right)^{2}=\frac{1}{4}a^{2}b^{2}+a^{2}+b^{2}-a^{2}b-ab^{2}+2ab 에서0=ab(14abab+2)\displaystyle 0=ab\left(\frac{1}{4}ab-a-b+2\right) 이다. ab>0\displaystyle ab>0이므로0=ab4a4b+8\displaystyle 0=ab-4a-4b+8 즉,(a4)(b4)=8=23\displaystyle (a-4)(b-4)=8=2^{3}\cdots\cdots

이다. a,b\displaystyle a,b가 모두 자연수이므로 방정식 ③을 만족하는 경우는(a=5\displaystyle a=5, b=12\displaystyle b=12 또는 a=6\displaystyle a=6, b=8\displaystyle b=8) 이거나 (a=12\displaystyle a=12, b=5\displaystyle b=5 또는 a=8\displaystyle a=8, b=6\displaystyle b=6)뿐이다. 따라서 구하는 피타고라스 삼중쌍은 {6,8,10},{5,12,13}\displaystyle \{6,8,10\},\{5,12,13\} 이다.

[논제 3] (배점 10점)

주어진 조건 c1=5, c2=13, c3=25, c4=41, c5=61, c6=85,\displaystyle c_{1}=5,\ c_{2}=13,\ c_{3}=25,\ c_{4}=41,\ c_{5}=61,\ c_{6}=85,\cdots에서(c6c5)(c5c4)=(c5c4)(c4c3)==(c3c2)(c2c1)=4\displaystyle (c_{6}-c_{5})-(c_{5}-c_{4})=(c_{5}-c_{4})-(c_{4}-c_{3})=\cdots=(c_{3}-c_{2})-(c_{2}-c_{1})=4이므로 수열 {cn}\displaystyle \{c_{n}\}의 계차수열은 공차가 4인 등차수열이다.Comment. 주어진 여섯 항만으로 계차수열이 등차수열이라고 단정할 수는 없다. 이 풀이는 같은 규칙이 계속된다고 해석한 것이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 수열 {cn}\displaystyle \{c_{n}\}의 일반항은 cn=5+k=1n1(4k+4)=2n2+2n+1\displaystyle c_{n}=5+\sum_{k=1}^{n-1}(4k+4)=2n^{2}+2n+1 이다.

T(an,bn,cn)\displaystyle \mathrm{T}(a_{n},b_{n},c_{n})의 내접원의 반지름이 n\displaystyle n이므로 직각삼각형의 내접원 성질에 의해cn=(ann)+(bnn)\displaystyle c_{n}=(a_{n}-n)+(b_{n}-n) 이다.따라서 n=12(an+bncn)\displaystyle n=\frac{1}{2}(a_{n}+b_{n}-c_{n}), 즉 an+bn=2n2+4n+1\displaystyle a_{n}+b_{n}=2n^{2}+4n+1\cdots\cdots이다. T(an,bn,cn)\displaystyle \mathrm{T}(a_{n},b_{n},c_{n})의 넓이가 12anbn=12n(an+bn+cn)\displaystyle \frac{1}{2}a_{n}b_{n}=\frac{1}{2}n(a_{n}+b_{n}+c_{n})이므로anbn=2n(n+1)(2n+1)\displaystyle a_{n}b_{n}=2n(n+1)(2n+1)\cdots\cdots②이다. ①과 ②로부터an=2n+1, bn=2n(n+1)\displaystyle a_{n}=2n+1,\ b_{n}=2n(n+1) 이거나 an=2n(n+1), bn=2n+1\displaystyle a_{n}=2n(n+1),\ b_{n}=2n+1이다. 따라서 구하는 피타고라스 삼중쌍은 {2n+1, 2n2+2n, 2n2+2n+1}\displaystyle \{2n+1,\ 2n^{2}+2n,\ 2n^{2}+2n+1\}이다.

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