대수수열의 합수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

가중평균 수열 등차 증명

문제

두 수열 {an}\{ a _{n} \}, {bn}\{ b _{n} \}에 대하여 bn=a1+2a2+3a3++nan1+2++n(n1)\displaystyle b _{n} = \frac{a _{1} + 2 a _{2} + 3 a _{3} + \cdots + na _{n}}{1 + 2 + \cdots + n} ( n \geq 1 ) 이 성립한다. 다음은 {an}\{ a _{n} \}이 등차수열이기 위한 필요충분조건은 {bn}\{ b _{n} \}이 등차수열임을 증명하는 과정이다.

<증명> 수열 {an}\{ a _{n} \}을 첫째항 aa, 공차 dd인 등차수열이라 하면, bn=a+2(a+d)+3(a+2d)++n{a+(n1)d}1+2++n\displaystyle b _{n} = \frac{a + 2 ( a + d ) + 3 ( a + 2 d ) + \cdots + n \{ a + ( n - 1 ) d \}}{1 + 2 + \cdots + n} =a(1+2++n)+d{2+32++n(n1)}1+2++n\displaystyle = \frac{a ( 1 + 2 + \cdots + n ) + d \{ 2 + 3 \cdot 2 + \cdots + n \cdot ( n - 1 ) \}}{1 + 2 + \cdots + n} =a+2d{()n(n+1)2}n(n+1)\displaystyle = a + \frac{2 d \left\{ \square {( \text{가} )} - \frac{n ( n + 1 ) _{}}{2} \right\} _{}}{n ( n + 1 )} =a+()(n1)= a + \square {( \text{나} )} \cdot ( n - 1 ) 이므로 {bn}\{ b _{n} \}은 공차가 ()\square {( \text{나} )} 인 등차수열이다. 역으로 {bn}\{ b _{n} \}을 등차수열이라 하면, bn+1=a1+2a2+3a3++nan1+2++(n+1)+(n+1)an+11+2++(n+1)\displaystyle b _{n+1} = \frac{a _{1} + 2 a _{2} + 3 a _{3} + \cdots + na _{n}}{1 + 2 + \cdots + ( n + 1 )} + \frac{( n + 1 ) a _{n+1}}{1 + 2 + \cdots + ( n + 1 )} == ()bn+2n+2an+1\displaystyle \square {( \text{다} )} \cdot b _{n} + \frac{2 _{}}{n + 2} a _{n + 1} \vdots 이므로 수열 {an}\{ a _{n} \}은 등차수열이다.

위의 증명 과정에서 (가), (나), (다)에 알맞은 것은? [4점] (가) (나) (다) n(n+1)(2n+1)6\displaystyle \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{6} 23d\displaystyle \frac{2}{3} d nn+2\displaystyle \frac{n}{n + 2}n(n+1)(2n+1)6\displaystyle \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{6} 23d\displaystyle \frac{2}{3} d n1n+2\displaystyle \frac{n - 1}{n + 2}n(n+1)(2n+1)3\displaystyle \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{3} 32d\displaystyle \frac{3}{2} d nn+2\displaystyle \frac{n}{n + 2}n(n+1)(2n+1)3\displaystyle \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{3} 23d\displaystyle \frac{2}{3} d nn+2\displaystyle \frac{n}{n + 2}n(n+1)(2n+1)3\displaystyle \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{3} 32d\displaystyle \frac{3}{2} d n+1n+2\displaystyle \frac{n + 1}{n + 2}

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해설

2+32++n(n1)2 + 3 \cdot 2 + \cdots + n ( n - 1 ) =2(21)+3(31)++n(n1)= 2 ( 2 - 1 ) + 3 ( 3 - 1 ) + \cdots + n ( n - 1 ) =12+22+32++n2(1+2+3++n)= 1 ^{2} + 2 ^{2} + 3 ^{2} + \cdots + n ^{2} - ( 1 + 2 + 3 + \cdots + n ) =n(n+1)(2n+1)6n(n+1)2\displaystyle = \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{6} - \frac{n ( n + 1 )}{2} ∴ (가) =n(n+1)(2n+1)6\displaystyle = \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{6} 2d{n(n+1)(2n+1)6n(n+1)2}n(n+1)\displaystyle \frac{2 d \left\{ \frac{n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 )}{6} - \frac{n ( n + 1 )}{2} \right\}}{n ( n + 1 )} =2d{2n+1612}\displaystyle = {2 d \left\{ \frac{2 n + 1}{6} - \frac{1}{2} \right\}} =2d(2n+13)6=23d(n1)\displaystyle = \frac{2 d ( 2 n + 1 - 3 )}{6} = \frac{2}{3} d ( n - 1 ) ∴ (나)=23d\displaystyle = \frac{2}{3} d a1+2a2++nan1+2++(n+1)\displaystyle \frac{a _{1} + 2 a _{2} + \cdots + na _{n}}{1 + 2 + \cdots + ( n + 1 )} =1+2++n1+2++(n+1)a1+2a2++nan1+2++n\displaystyle = \frac{1 + 2 + \cdots + n}{1 + 2 + \cdots + ( n + 1 )} \cdot \frac{a _{1} + 2 a _{2} + \cdots + na _{n}}{1 + 2 + \cdots + n} =n(n+1)2(n+1)(n+2)2bn\displaystyle = \frac{\frac{n ( n + 1 )}{2}}{\frac{( n + 1 ) ( n + 2 )}{2}} \cdot b _{n} =nn+2bn\displaystyle = \frac{n}{n + 2} \cdot b _{n} ∴ (다)=nn+2\displaystyle = \frac{n}{n + 2} 〔참고〕 주어진 증명을 완성하면 다음과 같다. bn+1=nn+2bn+2n+2an+1\displaystyle b _{n+1} = \frac{n}{n + 2} b _{n} + \frac{2}{n + 2} a _{n+1} =(12n+2)bn+2n+2an+1\displaystyle = \left( 1 - \frac{2}{n + 2} \right) b _{n} + \frac{2}{n + 2} a _{n+1} =bn2n+2bn+2n+2an+1\displaystyle = b _{n} - \frac{2}{n + 2} b _{n} + \frac{2}{n + 2} a _{n+1}bn+1bn=2n+2(an+1bn)\displaystyle b _{n+1} - b _{n} = \frac{2}{n + 2} ( a _{n+1} - b _{n} ) ⋯ ㉠ 그런데, 등차수열 {bn}\{ b _{n} \}의 첫째항을 aa', 공차를 dd'이라 하면 bn+1bn=db _{n+1} - b _{n} = d'이므로 ㉠에서 d=2n+2(an+1bn)\displaystyle d' = \frac{2}{n + 2} ( a _{n+1} - b _{n} )an+1=d2(n+2)+bn\displaystyle a _{n+1} = \frac{d'}{2} ( n + 2 ) + b _{n} =d2(n+2)+a+(n1)d\displaystyle = \frac{d'}{2} ( n + 2 ) + a' + ( n - 1 ) d' =(a+32d)+32d(n1)\displaystyle = \left( a' + \frac{3}{2} d' \right) + \frac{3}{2} d' ( n - 1 ) 따라서 수열 {an+1a _{n+1}}은 a2=a+32d\displaystyle a _{2} = a' + \frac{3}{2} d'이고 공차가 32d\displaystyle \frac{3}{2} d'인 등차수열이다. 그런데, a1=b1a _{1} = b _{1}=a= a'이므로 수열 {an}\{ a _{n} \}은 첫째항이 aa', 공차가 32d\displaystyle \frac{3}{2} d'인 등차수열이다.

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