대수수학적 귀납법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

거듭제곱 합 등식 귀납법

문제

다음은 모든 자연수 nn에 대하여 6(k=1nk)(k=1nk2)=5k=1nk4+k=1nk2\displaystyle 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{n} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{n} k ^{2} \right) = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{n} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{n} k ^{2} \cdots \cdots(*) 이 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하는 과정의 일부이다.

<증명> (1) n=1n = 1일 때, (좌변)=6×1×12=6( \text{좌변} ) = 6 \times 1 \times 1 ^{2} = 6이고, (우변)=5×14+12=6( \text{우변} ) = 5 \times 1 ^{4} + 1 ^{2} = 6이므로 (*)이 성립한다. (2) n=mn = m일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 6(k=1mk)(k=1mk2)=5k=1mk4+k=1mk2\displaystyle 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} 이다. n=m+1n = m + 1일 때, (*)이 성립함을 보이자. 6(k=1m+1k)(k=1m+1k2)\displaystyle 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{2} \right) =6{k=1mk+(())}{k=1mk2+(m+1)2}\displaystyle = 6 \left\{ \sum\limits _{k = 1} ^{m} k + \left( {\square {( \text{가} )}} \right) \right\} \left\{ \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + \left( m + 1 \right) ^{2} \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) +(())×{6k=1mk2+6(m+1)k=1mk+6(m+1)2}\displaystyle + \left( {\square {( \text{가} )}} \right) \times \left\{ 6 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + 6 \left( m + 1 \right) \sum\limits _{k = 1} ^{m} k + 6 \left( m + 1 \right) ^{2} \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right)+(m+1)2×(())+ \left( m + 1 \right) ^{2} \times ( \square {( \text{나} )} ) \vdots =5k=1m+1k4+k=1m+1k2\displaystyle = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{2} 그러므로 n=m+1n = m + 1일 때도 (*)이 성립한다. 따라서 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다.

위의 과정에서 (가), (나)에 알맞은 식을 각각 f(m)f ( m ), g(m)g ( m )이라 할 때, g(10)f(5)\displaystyle \frac{g ( 10 )}{f ( 5 )}의 값은? [4점] 101101103103105105107107109109

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해설

[출제의도] 수학적 귀납법 추론하기 (1) n=1n = 1일 때, (좌변)=6×1×12=6( \text{좌변} ) = 6 \times 1 \times 1 ^{2} = 6이고, (우변)=5×14+12=6( \text{우변} ) = 5 \times 1 ^{4} + 1 ^{2} = 6이므로 (*)이 성립한다. (2) n=mn = m일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 6(k=1mk)(k=1mk2)=5k=1mk4+k=1mk2\displaystyle 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} 이다. n=m+1n = m + 1일 때, (*)이 성립함을 보이자. 6(k=1m+1k)(k=1m+1k2)\displaystyle 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{2} \right) =6{k=1mk+((m+1))}{k=1mk2+(m+1)2}\displaystyle = 6 \left\{ \sum\limits _{k = 1} ^{m} k + \left( \square {( m + 1 )} \right) \right\} \left\{ \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + \left( m + 1 \right) ^{2} \right\} =6{(k=1mk)(k=1mk2)+(m+1)k=1mk2+(m+1)2k=1mk+(m+1)3}\displaystyle = 6 \left\{ \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) + \left( m + 1 \right) \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + \left( m + 1 \right) ^{2} \sum\limits _{k = 1} ^{m} k + \left( m + 1 \right) ^{3} \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) +((m+1))×{6k=1mk2+6(m+1)k=1mk+6(m+1)2}\displaystyle + \left( {\square {( m + 1 )}} \right) \times \left\{ 6 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + 6 \left( m + 1 \right) \sum\limits _{k = 1} ^{m} k + 6 \left( m + 1 \right) ^{2} \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) +(m+1)×{m(m+1)(2m+1)+3m(m+1)2+6(m+1)2}+ \left( m + 1 \right) \times \left\{ m \left( m + 1 \right) \left( 2 m + 1 \right) + 3 m \left( m + 1 \right) ^{2} + 6 \left( m + 1 \right) ^{2} \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right) +(m+1)2×{m(2m+1)+3m(m+1)+6(m+1)}+ \left( m + 1 \right) ^{2} \times \left\{ m \left( 2 m + 1 \right) + 3 m \left( m + 1 \right) + 6 \left( m + 1 \right) \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right)+(m+1)2×(5m2+10m+6)+ \left( m + 1 \right) ^{2} \times ( {\square {5 m ^{2} + 10 m + 6}} ) =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right)+(m+1)2×{5(m+1)2+1}+ \left( m + 1 \right) ^{2} \times \left\{ 5 \left( m + 1 \right) ^{2} + 1 \right\} =6(k=1mk)(k=1mk2)\displaystyle = 6 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \right) \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} \right)+5(m+1)4+(m+1)2+ 5 \left( m + 1 \right) ^{4} + \left( m + 1 \right) ^{2} =5k=1mk4+k=1mk2+5(m+1)4+(m+1)2\displaystyle = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + 5 \left( m + 1 \right) ^{4} + \left( m + 1 \right) ^{2} =5k=1mk4+5(m+1)4+k=1mk2+(m+1)2\displaystyle = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{4} + 5 \left( m + 1 \right) ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} k ^{2} + \left( m + 1 \right) ^{2} =5k=1m+1k4+k=1m+1k2\displaystyle = 5 \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{4} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k ^{2} 그러므로 n=m+1n = m + 1일 때도 (*)이 성립한다. 따라서 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다. f(m)=m+1f ( m ) = m + 1, g(m)=5m2+10m+6g ( m ) = 5 m ^{2} + 10 m + 6이므로 g(10)f(5)=6066=101\displaystyle \frac{g ( 10 )}{f ( 5 )} = \frac{606}{6} = 101이다.

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