수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · {an}\displaystyle \{a_n\}{bn}\displaystyle \{b_n\}의 일반항을 제시

[논제1]{bnn=1,2,3,}{ann=1,2,3,}\displaystyle \{b_n\mid n=1,2,3,\cdots\}\subset\{a_n\mid n=1,2,3,\cdots\}임을 보이려면, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 원소 bn\displaystyle b_n이 집합{ann=1,2,3,}\displaystyle \{a_n\mid n=1,2,3,\cdots\}의 원소임을 보이면 된다. 즉, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 bn=am\displaystyle b_n=a_m인 자연수 m\displaystyle m있음을 보이면 된다. 등비수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 일반항은 bn=arn1\displaystyle b_n=ar^{n-1}이고 am=a+(m1)d\displaystyle a_m=a+(m-1)d이므로bn=am  arn1=a+(m1)d\displaystyle b_n=a_m\ \Leftrightarrow\ ar^{n-1}=a+(m-1)d\quad\cdots\quad

+5점 · m=srn1s+1\displaystyle m=sr^{n-1}-s+1이 자연수임을 제시

이다. 한편, a\displaystyle ad\displaystyle d의 배수이므로 a=sd\displaystyle a=sd를 만족시키는 자연수 s\displaystyle s가 존재한다. 따라서 식 ①을 m\displaystyle m관해 풀면m=srn1s+1\displaystyle m=sr^{n-1}-s+1이고, s\displaystyle sr\displaystyle r이 자연수이므로 m\displaystyle m도 자연수이다.그러므로 {bnn=1,2,3,}{ann=1,2,3,}\displaystyle \{b_n\mid n=1,2,3,\cdots\}\subset\{a_n\mid n=1,2,3,\cdots\}이 성립한다.

+5점 · 점화식 xn+1=1xn+xn1\displaystyle x_{n+1}=\frac1{x_n}+x_{n-1}을 제시

[논제2]A1\displaystyle \mathrm A_1A2\displaystyle \mathrm A_2의 좌표가 (1,0)\displaystyle (1,0)이므로 x1=1\displaystyle x_1=1, x2=1\displaystyle x_2=1이고 점 P2\displaystyle \mathrm P_2의 좌표는 (1,1)\displaystyle (1,1), 점 Q2\displaystyle \mathrm Q_2의 좌표는 (0,1)\displaystyle (0,1),R2\displaystyle \mathrm R_2의 좌표는 (1,0)\displaystyle (1,0)이므로 점 A3\displaystyle \mathrm A_3x\displaystyle x좌표 x3=(R2의 x좌표)+x1=1+1=2\displaystyle x_3=(\mathrm R_2\text{의 }x\text{좌표})+x_1=1+1=2이다.정해진 규칙에 따라 점 Pn\displaystyle \mathrm P_n의 좌표는 (xn,1xn)\displaystyle \left(x_n,\frac1{x_n}\right), Qn\displaystyle \mathrm Q_n(0,1xn)\displaystyle \left(0,\frac1{x_n}\right), Rn\displaystyle \mathrm R_n(1xn,0)\displaystyle \left(\frac1{x_n},0\right)이므로 점화식xn+1=1xn+xn1\displaystyle x_{n+1}=\frac1{x_n}+x_{n-1} (단, n2\displaystyle n\ge2인 자연수)

+5점 · xn+1=nn1xn1\displaystyle x_{n+1}=\frac n{n-1}x_{n-1}을 제시

를 얻는다. 즉 xn+1xnxnxn1=1\displaystyle x_{n+1}x_n-x_nx_{n-1}=1이다. 한편, 자연수 n\displaystyle n에 대하여 yn=xn+1xn\displaystyle y_n=x_{n+1}x_n이라 놓으면y1=x2x1=1\displaystyle y_1=x_2x_1=1이므로 수열 {yn}\displaystyle \{y_n\}은 첫째항이 1\displaystyle 1이고 공차가 1\displaystyle 1인 등차수열이다. 따라서 수열 {yn}\displaystyle \{y_n\}의 일반항yn=n\displaystyle y_n=n, 즉 xn+1xn=n\displaystyle x_{n+1}x_n=n이고, 이로부터 다음을 얻는다.xn+1=nxn=nn1xn1=nn1×n2n3xn3=nn1×n2n3×n4n5xn5\displaystyle \begin{aligned}x_{n+1}&=\frac n{x_n}=\frac n{n-1}x_{n-1}=\frac n{n-1}\times\frac{n-2}{n-3}x_{n-3}\\&=\frac n{n-1}\times\frac{n-2}{n-3}\times\frac{n-4}{n-5}x_{n-5}\end{aligned}

+5점 · x2n\displaystyle x_{2n}을 제시

따라서 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음이 성립한다.x2n=2n12n2×2n32n4×2n52n6x2n6=2n12n2×2n32n4×2n52n6××54×32=(2n1)!(2n2)2(2n4)24222=(2n1)!22(n1){(n1)!}2\displaystyle \begin{aligned}x_{2n}&=\frac{2n-1}{2n-2}\times\frac{2n-3}{2n-4}\times\frac{2n-5}{2n-6}x_{2n-6}\\&=\frac{2n-1}{2n-2}\times\frac{2n-3}{2n-4}\times\frac{2n-5}{2n-6}\times\cdots\times\frac54\times\frac32\\&=\frac{(2n-1)!}{(2n-2)^2(2n-4)^2\cdots4^2\cdot2^2}\\&=\frac{(2n-1)!}{2^{2(n-1)}\{(n-1)!\}^2}\end{aligned}

+5점 · f(n)={(n1)!}2\displaystyle f(n)=\{(n-1)!\}^2임을 제시

그러므로 f(n)={(n1)!}2\displaystyle f(n)=\{(n-1)!\}^2이다.

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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