수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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[해설]

1. 문항 2는 문제 해결 형, 수리 계산 형 문제로 문제에서 주어진 규칙을 수리적으로 해석하고 그에 구체적인 답안을 제시해야 하는 수리 응용 형 문제들이 주로 이 유형에 속한다.첫 번째 질문은 제시문 (가)에서 설명한 상황을 이해하고 고등학교 교과과정 안에 극한의 개념을 이해한다면 손쉽게 답할 수 있는 내용이다.첫 번째 질문에 대한 풀이과정을 예시하면 다음과 같다.

limnan=x0\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=x\ge0라 하면 an+2=anan+1\displaystyle a_{n+2}=a_n-a_{n+1}로부터 x=xx\displaystyle x=x-x가 성립하여 x=0\displaystyle x=0이다.

limnbn=y>0\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=y>0라 하면 bn=cn+1cn=cn+cn1cn=1+cn1cn=1+1bn1\displaystyle b_n=\frac{c_{n+1}}{c_n}=\frac{c_n+c_{n-1}}{c_n}=1+\frac{c_{n-1}}{c_n}=1+\frac1{b_{n-1}}로부터 y=1+1/y\displaystyle y=1+1/y 즉, y2y1=0\displaystyle y^2-y-1=0이 성립하여 y=1+52\displaystyle y=\frac{1+\sqrt5}2이다. 따라서 limnan=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=0이고 limnbn=1+52\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\frac{1+\sqrt5}2이다.

첫 번째 질문에서 평가의 기준은 수험생이 극한의 개념을 이해하는가 하는 것과 극한의 개념으로부터 x=limnan\displaystyle x=\lim_{n\to\infty}a_ny=limnbn\displaystyle y=\lim_{n\to\infty}b_n에 대한 올바른 방정식을 얻을 수 있는가에 초점을 맞춘다.

2. 두 번째 질문에서는 제시문 (가)에서 설명한대로 n\displaystyle n분 후에 용기 A\displaystyle A에 들어있게 되는 리터 단위의 물의 양 an\displaystyle a_n과 피보나치수열로 정의된 cn\displaystyle c_n사이에는 n2\displaystyle n\ge2일 때 등식 an=(1)n1(tcn1cn2)\displaystyle a_n=(-1)^{n-1}(tc_{n-1}-c_{n-2})이 성립함을 증명하는 문제를 제시하고 있다. 증명의 핵심은 고교 교과과정에서 다룬 바 있는 수학적 귀납법의 사용이다.두 번째 질문에 대한 풀이과정을 예시하면 다음과 같다.수학적 귀납법을 사용하여 증명한다. 먼저 n=2\displaystyle n=2일 때 a2=(t1)=(1)(tc1c0)\displaystyle a_2=-(t-1)=(-1)(tc_1-c_0)가 성립하고 또한 a3=2t1=(1)2(tc2c1)\displaystyle a_3=2t-1=(-1)^2(tc_2-c_1)가 성립한다. 이제 k3\displaystyle k\ge3가 주어진 자연수이고 nk\displaystyle n\le k인 모든 n\displaystyle n에 대하여 an=(1)n1(tcn1cn2)\displaystyle a_n=(-1)^{n-1}(tc_{n-1}-c_{n-2})이 성립한다고 가정하자.이제 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 위 등식이 성립함을 아래와 같이 보인다.(i) k\displaystyle k가 짝수인 경우 : ak+1=ak1ak=tck2ck3+tck1ck2=tckck1\displaystyle a_{k+1}=a_{k-1}-a_k=tc_{k-2}-c_{k-3}+tc_{k-1}-c_{k-2}=tc_k-c_{k-1}(ii) k\displaystyle k가 홀수인 경우 : ak+1=ak1ak=(tck2ck3)(tck1ck2)=(tckck1)\displaystyle a_{k+1}=a_{k-1}-a_k=-(tc_{k-2}-c_{k-3})-(tc_{k-1}-c_{k-2})=-(tc_k-c_{k-1})따라서 n=k+1\displaystyle n=k+1인 경우에도 (i), (ii)에 의하여 an=(1)n1(tcn1cn2)\displaystyle a_n=(-1)^{n-1}(tc_{n-1}-c_{n-2})이 성립하고 수학적 귀납법에 의하여 모든 n2\displaystyle n\ge2에 대하여 an=(1)n1(tcn1cn2)\displaystyle a_n=(-1)^{n-1}(tc_{n-1}-c_{n-2})임이 증명된다.

3. 세 번째 질문의 핵심은 1분 후에 용기 A\displaystyle A에 들어있게 되는 물의 양을 구하는 것이다. 이에 앞서서 제시문 (가)에서 정의한 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}{cn}\displaystyle \{c_n\}에서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 부등식 c2n1c2n<a1<c2nc2n+1\displaystyle \frac{c_{2n-1}}{c_{2n}}<a_1<\frac{c_{2n}}{c_{2n+1}}가 성립함을 증명할 것을 요구하고 있다. 이 부등식의 증명은 앞서 두 번째 질문에서 제시한 등식 an=(1)n1(tcn1cn2)\displaystyle a_n=(-1)^{n-1}(tc_{n-1}-c_{n-2})으로부터 얻을 수 있다.세 번째 질문에 대한 풀이과정을 예시하면 다음과 같다.

앞서 (2)에 의하면 모든 n0\displaystyle n\ge0에 대하여 an=(1)n+1(tcn+1cn)\displaystyle a_n=(-1)^{n+1}(tc_{n+1}-c_n)이고 조건에 의하면 모든 n0\displaystyle n\ge0에 대하여 an>0\displaystyle a_n>0이므로, n=2k\displaystyle n=2k인 경우 0<a2k=(tc2k+1c2k)\displaystyle 0<a_{2k}=-(tc_{2k+1}-c_{2k})로부터 a1=t<c2kc2k+1\displaystyle a_1=t<\frac{c_{2k}}{c_{2k+1}}이 성립한다. 마찬가지로 n=2k1\displaystyle n=2k-1인 경우 0<a2k1=tc2kc2k1\displaystyle 0<a_{2k-1}=tc_{2k}-c_{2k-1}로부터 a1=t>c2k1c2k\displaystyle a_1=t>\frac{c_{2k-1}}{c_{2k}}을 얻는다. 따라서 모든 자연수 k\displaystyle k에 대하여 c2k1c2k<a1<c2kc2k+1\displaystyle \frac{c_{2k-1}}{c_{2k}}<a_1<\frac{c_{2k}}{c_{2k+1}}이다.Correction. 왼쪽의 an\displaystyle a_nan+2\displaystyle a_{n+2}의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Correction. 짝수·홀수 식의 a2k\displaystyle a_{2k}, a2k1\displaystyle a_{2k-1}은 각각 a2k+2\displaystyle a_{2k+2}, a2k+1\displaystyle a_{2k+1}의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

한편 (1)에서 limncn+1cn=1+52\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{c_{n+1}}{c_n}=\frac{1+\sqrt5}2임을 보였으므로 limnc2n1c2n=limnc2nc2n+1=21+5=1+52\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{c_{2n-1}}{c_{2n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{c_{2n}}{c_{2n+1}}=\frac2{1+\sqrt5}=\frac{-1+\sqrt5}2이 성립한다.

따라서 c2n1c2n<a1<c2nc2n+1\displaystyle \frac{c_{2n-1}}{c_{2n}}<a_1<\frac{c_{2n}}{c_{2n+1}}의 양변에 극한을 취하면 a1=t=1+52\displaystyle a_1=t=\frac{-1+\sqrt5}2을 얻는다.

4. 네 번째 질문에 대한 답은 제시문 (나)를 이해하는 것으로부터 출발한다. 즉 적당한 시점 이후 매분마다 용기 A\displaystyle A에는 담겨 있던 물의 10%가 빠져나가는 동시에 용기 B\displaystyle B에 담겨져 있던 물의 20%가 들어오는 것이 반복될 때 아주 오랜 시간이 지난 후 후에 용기 A\displaystyle A에 담긴 물의 양이 수렴하는 값을 구하는 문제로서, 문제의 올바른 이해와 함께 수리적 개념 및 응용력과 더불어 문제해결능력까지 모두 갖추어야 올바로 답할 수 있는 질문이다.네 번째 질문에 대한 풀이과정을 예시하면 다음과 같다.(나)에서의 방법을 따른 경우 k0\displaystyle k\ge0에 대하여 ak\displaystyle a_kbk\displaystyle b_k를 새롭게 다음과 같이 정의한다.ak=m+k\displaystyle a_k=m+k분 후에 용기 A\displaystyle A에 들어있게 되는 리터 단위의 물의 양bk=m+k\displaystyle b_k=m+k분 후에 용기 B\displaystyle B에 들어있게 되는 리터 단위의 물의 양이라 놓으면 다음이 성립한다.ak+1=0.9ak+0.2bk\displaystyle a_{k+1}=0.9a_k+0.2b_kbk+1=0.1ak+0.8bk\displaystyle b_{k+1}=0.1a_k+0.8b_k위의 식에서 bk=5ak+14.5ak\displaystyle b_k=5a_{k+1}-4.5a_k을 얻고 이를 아래 식에 대입하면 다음을 얻는다.5ak+24.5ak+1=0.1ak+0.8(5ak+14.5ak)\displaystyle 5a_{k+2}-4.5a_{k+1}=0.1a_k+0.8(5a_{k+1}-4.5a_k)이를 정리하면 5ak+28.5ak+1+3.5ak=0\displaystyle 5a_{k+2}-8.5a_{k+1}+3.5a_k=0이 성립하고 따라서 ak+2ak+1=710(ak+1ak)\displaystyle a_{k+2}-a_{k+1}=\frac7{10}(a_{k+1}-a_k)가 성립하여 수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}의 계차수열은 첫째항이 a1a0=β5α10\displaystyle a_1-a_0=\frac\beta5-\frac\alpha{10}이고, 공비가 710\displaystyle \frac7{10}인 등비수열이다.따라서 ak=a0+j=1k(a1a0)(710)j1\displaystyle a_k=a_0+\sum_{j=1}^k(a_1-a_0)\left(\frac7{10}\right)^{j-1}을 얻고, 따라서 limkak=a0+103(a1a0)=α+23β13α=23(α+β)\displaystyle \lim_{k\to\infty}a_k=a_0+\frac{10}3(a_1-a_0)=\alpha+\frac23\beta-\frac13\alpha=\frac23(\alpha+\beta)이다.즉 아주 오랜 시간이 지난 후에 용기 A\displaystyle A에 담긴 물의 양이 수렴하는 값은 리터 23(α+β)\displaystyle \frac23(\alpha+\beta)이다.

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