수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

(가) 양의 정수 n\displaystyle n과 1≤k≤n−1\displaystyle 1\le k\le n-1인 정수 k\displaystyle k에 대하여, 조합의 수 nCk\displaystyle {}_n\mathrm C_k는 등식nCk=n−1Ck+n−1Ck−1\displaystyle {}_n\mathrm C_k={}_{n-1}\mathrm C_k+{}_{n-1}\mathrm C_{k-1}을 만족한다. 위 등식을 파스칼의 공식이라고 한다.

(나) 1×1\displaystyle 1\times1크기의 정사각형 모양의 타일을 ‘정사각형 타일’이라 부르고, 1×2\displaystyle 1\times2크기의 직사각형 모양의 타일을 ‘도미노 타일’이라 부르자. 도미노 타일 2\displaystyle 2개와 정사각형 타일 2\displaystyle 2개를 사용하여 서로 겹치지 않게 1×6\displaystyle 1\times6크기의 직사각형을 전부 덮는 방법은 다음과 같이 6\displaystyle 6가지가 있다.

도미노 타일 두 개와 정사각형 타일 두 개의 여섯 가지 배열

(※) 양의 정수 n\displaystyle n에 대하여, 도미노 타일과 정사각형 타일을 사용하여 서로 겹치지 않게 1×n\displaystyle 1\times n크기의 직사각형을 전부 덮을 때, 도미노 타일을 짝수개(0개 포함) 사용하는 방법의 수를 an\displaystyle a_n이라 하고, 도미노 타일을 홀수개 사용하는 방법의 수를 bn\displaystyle b_n이라 하자. 예를 들어, a1=1\displaystyle a_1=1, a2=1\displaystyle a_2=1, b1=0\displaystyle b_1=0, b2=1\displaystyle b_2=1이다.

(3-1) 도미노 타일 k\displaystyle k개와 정사각형 타일 (n−2k)\displaystyle (n-2k)개를 사용하여 서로 겹치지 않게 1×n\displaystyle 1\times n크기의 직사각형을 전부 덮는 방법의 수를 구하시오. (단, k\displaystyle k는 0≤k≤n2\displaystyle 0\le k\le\frac n2인 정수이다.) (5점)

(3-2) a10\displaystyle a_{10}과 b10\displaystyle b_{10}의 값을 구하시오. (5점)

(3-3) 모든 n≥3\displaystyle n\ge3에 대하여 다음 식이 성립함을 보이시오. (10점){an=an−1+bn−2bn=bn−1+an−2\displaystyle \begin{cases}a_n=a_{n-1}+b_{n-2}\\b_n=b_{n-1}+a_{n-2}\end{cases}

(3-4) 모든 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 ∣an−bn∣≤1\displaystyle |a_n-b_n|\le1이 성립함을 보이시오. (5점)

해설강의 준비중
5 · (3-1)

(3-1)도미노 타일 k\displaystyle k개와 정사각형 타일 (n−2k)\displaystyle (n-2k)개를 일렬로 나열하는 방법의 수와 같다. 즉, 2종류의 (n−k)\displaystyle (n-k)개의 타일 중 도미노 타일 k\displaystyle k개를 놓을 순서를 선택하는 방법이므로,n−kCk=n−kCn−2k=(n−k)!k!(n−2k)!=(n−k)(n−k−1)⋯(n−2k+1)k!\displaystyle {}_{n-k}\mathrm C_k={}_{n-k}\mathrm C_{n-2k}=\frac{(n-k)!}{k!(n-2k)!}=\frac{(n-k)(n-k-1)\cdots(n-2k+1)}{k!}가 된다.

5 · (3-2)

(3-2)위의 결과를 이용하면, an\displaystyle a_n과 bn\displaystyle b_n의 정의에 따라서 일반항을 다음과 같이 표현할 수 있다.an=nC0+n−2C2+n−4C4+⋯\displaystyle a_n={}_n\mathrm C_0+{}_{n-2}\mathrm C_2+{}_{n-4}\mathrm C_4+\cdotsbn=n−1C1+n−3C3+n−5C5+⋯\displaystyle b_n={}_{n-1}\mathrm C_1+{}_{n-3}\mathrm C_3+{}_{n-5}\mathrm C_5+\cdots따라서 위의 식을 이용하여 계산을 하면,a10=10C0+8C2+6C4=1+28+15=44\displaystyle a_{10}={}_{10}\mathrm C_0+{}_8\mathrm C_2+{}_6\mathrm C_4=1+28+15=44b10=9C1+7C3+5C5=9+35+1=45\displaystyle b_{10}={}_9\mathrm C_1+{}_7\mathrm C_3+{}_5\mathrm C_5=9+35+1=45가 된다.

10 · (3-3)

(3-3)파스칼의 정리(nCk=n−1Ck+n−1Ck−1\displaystyle {}_n\mathrm C_k={}_{n-1}\mathrm C_k+{}_{n-1}\mathrm C_{k-1})와 경계조건 (nC0=n−1C0=1\displaystyle {}_n\mathrm C_0={}_{n-1}\mathrm C_0=1)에 의해 다음과 같이 정리할 수 있다. 양의 정수 n≥3\displaystyle n\ge3에 대하여an−1+bn−2=(n−1C0+n−3C2+n−5C4+⋯ )+(n−3C1+n−5C3+n−7C5+⋯ )=nC0+n−2C2+n−4C4+n−6C6+⋯=an\displaystyle \begin{aligned}a_{n-1}+b_{n-2}&=({}_{n-1}\mathrm C_0+{}_{n-3}\mathrm C_2+{}_{n-5}\mathrm C_4+\cdots)\\&\qquad+({}_{n-3}\mathrm C_1+{}_{n-5}\mathrm C_3+{}_{n-7}\mathrm C_5+\cdots)\\&={}_n\mathrm C_0+{}_{n-2}\mathrm C_2+{}_{n-4}\mathrm C_4+{}_{n-6}\mathrm C_6+\cdots=a_n\end{aligned}이고,bn−1+an−2=(n−2C1+n−4C3+n−6C5+⋯ )+(n−2C0+n−4C2+n−6C4+⋯ )=n−1C1+n−3C3+n−5C5+⋯=bn\displaystyle \begin{aligned}b_{n-1}+a_{n-2}&=({}_{n-2}\mathrm C_1+{}_{n-4}\mathrm C_3+{}_{n-6}\mathrm C_5+\cdots)\\&\qquad+({}_{n-2}\mathrm C_0+{}_{n-4}\mathrm C_2+{}_{n-6}\mathrm C_4+\cdots)\\&={}_{n-1}\mathrm C_1+{}_{n-3}\mathrm C_3+{}_{n-5}\mathrm C_5+\cdots=b_n\end{aligned}이 된다. 따라서 {an=an−1+bn−2bn=bn−1+an−2\displaystyle \begin{cases}a_n=a_{n-1}+b_{n-2}\\b_n=b_{n-1}+a_{n-2}\end{cases}가 성립한다.

5 · (3-4)

(3-4)cn=an−bn\displaystyle c_n=a_n-b_n이라 하자. (3-3)의 결과를 활용하면cn=an−bn=(an−1+bn−2)−(bn−1+an−2)=(an−1−bn−1)−(an−2−bn−2)=cn−1−cn−2\displaystyle \begin{aligned}c_n&=a_n-b_n\\&=(a_{n-1}+b_{n-2})-(b_{n-1}+a_{n-2})\\&=(a_{n-1}-b_{n-1})-(a_{n-2}-b_{n-2})\\&=c_{n-1}-c_{n-2}\end{aligned}이 성립한다. 따라서c1=a1−b1=1−0=1c2=a2−b2=1−1=0c3=c2−c1=0−1=−1c4=c3−c2=−1−0=−1c5=c4−c3=−1−(−1)=0c6=c5−c4=0−(−1)=1c7=c6−c5=1−0=1⋮\displaystyle \begin{aligned}c_1&=a_1-b_1=1-0=1\\c_2&=a_2-b_2=1-1=0\\c_3&=c_2-c_1=0-1=-1\\c_4&=c_3-c_2=-1-0=-1\\c_5&=c_4-c_3=-1-(-1)=0\\c_6&=c_5-c_4=0-(-1)=1\\c_7&=c_6-c_5=1-0=1\\&\quad\vdots\end{aligned}으로 cn\displaystyle c_n은 주기가 6인 순환수열이 되고, cn\displaystyle c_n의 첫 6항이 1,0,−1,−1,0,1\displaystyle 1,0,-1,-1,0,1이므로, 모든 양의 정수 n≥1\displaystyle n\ge1에 대하여 ∣cn∣=∣an−bn∣≤1\displaystyle |c_n|=|a_n-b_n|\le1이 성립한다.

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