수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 6번

문제

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+4점 · [6-1] 주어진 관계에서 항들의 비교에 필요한 성질을 구한다.

[문제 6-1] 주어진 등식을 연속한 두 자연수에 적용하여 빼면f(n)f(n+2)=f(n+3){f(n+2)f(n+4)}\displaystyle f(n)-f(n+2)=f(n+3)\{f(n+2)-f(n+4)\}이다.

+6점 · [6-1] 모든 자연수에 대해 부등식이 성립함을 증명한다.

어떤 n\displaystyle n에서 f(n)>f(n+2)\displaystyle f(n)>f(n+2)라면f(n+3)>0\displaystyle f(n+3)>0이므로f(n+2)>f(n+4)\displaystyle f(n+2)>f(n+4)이고,이를 반복하면 양의 정수가 끝없이 엄격하게 감소해야 한다.그러나 한 번에 적어도 1\displaystyle 1씩 감소하므로불가능하다.따라서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 f(n)f(n+2)\displaystyle f(n)\le f(n+2)이다.

+12점 · [6-2] 가능한 수열의 형태를 빠짐없이 제한한다.

[문제 6-2] 위 관계식에서 홀수 번째 항들은 모두 같거나 계속 엄격하게 증가하고,짝수 번째 항들도 모두 같거나 계속 엄격하게 증가한다.또한 [문제 6-1]에서2025=f(n+2)f(n+3)f(n)f(n+1)(f(n+2)1)(f(n+3)1)1\displaystyle 2025=f(n+2)f(n+3)-f(n)-f(n+1)\ge(f(n+2)-1)(f(n+3)-1)-1이므로(f(n+2)1)(f(n+3)1)2026\displaystyle (f(n+2)-1)(f(n+3)-1)\le2026이다.따라서 두 부분수열이 모두 엄격하게 증가할 수는 없다.둘 다 상수라면 홀수 번째 항은 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이고,짝수 번째 항을 b\displaystyle b라 할 때 주어진 식이 1+b=b2025\displaystyle 1+b=b-2025가 되어 모순이다.그러므로 한쪽은 엄격하게 증가하고 다른 쪽은 상수이다.위 곱의 상한에 의해 그 상수는 1\displaystyle 1이어야 한다.

+8점 · [6-2] 가능한 값을 모두 구하고 실제로 성립함을 확인한다.

(i) 홀수 번째 항들이 모두 1\displaystyle 1이면 f(21)=1\displaystyle f(21)=1이다.짝수 번째 항을 f(2k)=b+2026(k1)\displaystyle f(2k)=b+2026(k-1)로 놓으면임의의 자연수 b\displaystyle b에 대해 주어진 식을 만족하므로가능한 값이다.(ii) 짝수 번째 항들이 모두 1\displaystyle 1이면f(2k+1)=f(2k1)+2026\displaystyle f(2k+1)=f(2k-1)+2026이므로f(21)=1+102026=20261\displaystyle f(21)=1+10\cdot2026=20261이다.이때 f(2k)=1\displaystyle f(2k)=1, f(2k1)=1+2026(k1)\displaystyle f(2k-1)=1+2026(k-1)은 주어진 식을 만족한다.따라서 가능한 값은 1,20261\displaystyle 1,20261이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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