수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

1. 1an+1=2an+1an=2+1an\displaystyle \frac1{a_{n+1}}=\frac{2a_n+1}{a_n}=2+\frac1{a_n}이므로, {1an}\displaystyle \{\frac1{a_n}\}은 공차 2, 첫째항 1a1=3\displaystyle \frac1{a_1}=3인 등차수열이다.따라서 1an=3+(n1)2=2n+1\displaystyle \frac1{a_n}=3+(n-1)2=2n+1이고 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항은 an=12n+1\displaystyle a_n=\frac1{2n+1}이다.이때, limnan=0=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=0=\alpha이므로 α\displaystyle \alpha{an}\displaystyle \{a_n\}의 극한값이다.b1=2\displaystyle b_1=2이고, bn+1bn=bn2+1bn1bn=bn+1bn1=1+2bn1>0\displaystyle b_{n+1}-b_n=\frac{b_n^2+1}{b_n-1}-b_n=\frac{b_n+1}{b_n-1}=1+\frac2{b_n-1}>0이므로, 임의의 n\displaystyle n에 대해 bn\displaystyle b_n은 양수이다.(‘{bn}\displaystyle \{b_n\}은 첫째항이 2인 증가수열이다’ 또는 ‘{bn}\displaystyle \{b_n\}\displaystyle \infty로 발산한다’라고 써도 인정)따라서 β=1\displaystyle \beta=-1은 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 극한값이 아니다.따라서 이 학생의 방법이 항상 성립하는 것은 아니다.

2. (1) (점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Pn+1\displaystyle \mathrm P_{n+1}로 갈 수 있는 경로의 수)=(점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Pn\displaystyle \mathrm P_n으로 갈 수 있는 경로의 수)+(점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Qn\displaystyle \mathrm Q_n으로 갈 수 있는 경로의 수)따라서 xn+1=xn+yn\displaystyle x_{n+1}=x_n+y_n(점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Qn+1\displaystyle \mathrm Q_{n+1}로 갈 수 있는 경로의 수)=(점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Pn\displaystyle \mathrm P_n으로 갈 수 있는 경로의 수)×2\displaystyle \times2+(점 O\displaystyle \mathrm O에서 점 Qn\displaystyle \mathrm Q_n으로 갈 수 있는 경로의 수)따라서 yn+1=2xn+yn\displaystyle y_{n+1}=2x_n+y_n

(2) yn+2xn=2xn1+yn1+2(xn1+yn1)=(1+2)(yn1+2xn1)=(1+2)2(yn2+2xn2)=(1+2)n\displaystyle \begin{aligned}y_n+\sqrt2x_n&=2x_{n-1}+y_{n-1}+\sqrt2(x_{n-1}+y_{n-1})\\&=(1+\sqrt2)(y_{n-1}+\sqrt2x_{n-1})\\&=(1+\sqrt2)^2(y_{n-2}+\sqrt2x_{n-2})\\&\quad\cdots\\&=(1+\sqrt2)^n\end{aligned}같은 방법으로, yn2xn=(12)n\displaystyle y_n-\sqrt2x_n=(1-\sqrt2)^n

(2)의 별해(1)에서 구한 관계식에 n=1,2,3,\displaystyle n=1,2,3,\cdots 몇 개의 항을 대입해 보면 yn+2xn=(1+2)n\displaystyle y_n+\sqrt2x_n=(1+\sqrt2)^n임을 추정할 수 있다.이를 수학적 귀납법으로 증명하자. 먼저 n=1\displaystyle n=1일 때, y1+2x1=1+2\displaystyle y_1+\sqrt2x_1=1+\sqrt2이므로 성립.이제 n=k\displaystyle n=k일 때 성립한다고 가정하면,(1+2)k+1=(1+2)(1+2)k=(1+2)(yk+2xk)\displaystyle (1+\sqrt2)^{k+1}=(1+\sqrt2)(1+\sqrt2)^k=(1+\sqrt2)(y_k+\sqrt2x_k)=yk+2xk+2yk+2xk=yk+2xk+2(xk+yk)=yk+1+2xk+1\displaystyle =y_k+\sqrt2x_k+\sqrt2y_k+2x_k=y_k+2x_k+\sqrt2(x_k+y_k)=y_{k+1}+\sqrt2x_{k+1}이므로 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때도 성립한다.yn2xn=(12)n\displaystyle y_n-\sqrt2x_n=(1-\sqrt2)^n도 같은 방법으로 추정하고 증명.

3. yn+2xn=(1+2)n,yn2xn=(12)n\displaystyle y_n+\sqrt2x_n=(1+\sqrt2)^n,\quad y_n-\sqrt2x_n=(1-\sqrt2)^n을 연립하여 풀면yn=122(2(1+2)n+2(12)n)\displaystyle y_n=\frac1{2\sqrt2}(\sqrt2(1+\sqrt2)^n+\sqrt2(1-\sqrt2)^n)xn=122((1+2)n(12)n)\displaystyle x_n=\frac1{2\sqrt2}((1+\sqrt2)^n-(1-\sqrt2)^n)이다. 따라서 수열 {zn}\displaystyle \{z_n\}의 일반항은 zn=2((1+2)n+(12)n)(1+2)n(12)n\displaystyle z_n=\frac{\sqrt2((1+\sqrt2)^n+(1-\sqrt2)^n)}{(1+\sqrt2)^n-(1-\sqrt2)^n}limnzn=limn2((1+2)n+(12)n)(1+2)n(12)n=limn2(1+(121+2)n1(121+2)n)=2(1+010)=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}z_n=\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt2((1+\sqrt2)^n+(1-\sqrt2)^n)}{(1+\sqrt2)^n-(1-\sqrt2)^n}=\lim_{n\to\infty}\sqrt2\left(\frac{1+(\frac{1-\sqrt2}{1+\sqrt2})^n}{1-(\frac{1-\sqrt2}{1+\sqrt2})^n}\right)=\sqrt2(\frac{1+0}{1-0})=\sqrt2

4. x1=y1=1, xn+1=xn+yn, yn+1=5xn+yn\displaystyle x_1=y_1=1,\ x_{n+1}=x_n+y_n,\ y_{n+1}=5x_n+y_n이라 하자.문항 2, 3의 과정과 동일한 방법에 의해, 수열 {ynxn}\displaystyle \{\frac{y_n}{x_n}\}5\displaystyle \sqrt5로 수렴함을 알 수 있다.따라서 첫 다섯 항은 y1x1=1, y2x2=3, y3x3=2, y4x4=73, y5x5=115\displaystyle \frac{y_1}{x_1}=1,\ \frac{y_2}{x_2}=3,\ \frac{y_3}{x_3}=2,\ \frac{y_4}{x_4}=\frac73,\ \frac{y_5}{x_5}=\frac{11}5이다.

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