대수수학적 귀납법수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

귀납법 시그마 증명

문제

수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 일반항은 an=1n\displaystyle a _{n} = \frac{1}{n}일 때, 다음은 모든 자연수 nn에 대하여 k=1n(akak+1)2=k=1n(ak)2+k=1n(ak+1)2+2(an+11)\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{n + 1} - 1 \right) \cdots \cdots(*) 이 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하는 과정의 일부이다.

<증명> (i) n=1n = 1일 때, (좌변)=()= {\square {\left( \text{가} \right) ^{}}}==(우변)이므로 (*)이 성립한다. (ii) n=m(m1)n = m \left( m \geq 1 \right)일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 k=1m(akak+1)2=k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(am+11)\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{m + 1} - 1 \right)이므로 k=1m+1(akak+1)2=k=1m(akak+1)2+(am+1am+2)2\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} + \left( a _{m + 1} a _{m + 2} \right) ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(am+11)+(am+1am+2)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{m + 1} - 1 \right) + \left( a _{m + 1} a _{m + 2} \right) ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(1m+11)+{1(m+1)(m+2)}2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( \frac{1}{m + 1} - 1 \right) + \left\{ \frac{1}{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right)} \right\} ^{2} =k=1m+1(ak)2+k=1m+1(ak+1)2+2(1m+11())\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( \frac{1}{m + 1} - 1 - {\square {\left( \text{나} \right) ^{}}} \right) \vdots 따라서 n=m+1n = m + 1일 때도 (*)이 성립한다. (i), (ii)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다.

위의 과정에서 (가)에 알맞은 수를 pp, (나)에 알맞은 식을 f(m)f \left( m \right)이라 할 때, pf(14)\displaystyle \frac{p}{f ( 14 )}의 값은? [4점] 60606262646466666868

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해설

[출제의도] 수학적 귀납법 추론하기 (ⅰ) n=1n = 1일 때, (좌변)=k=11(akak+1)2=14\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{1} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} = {\square {\frac{1}{4}}}, (우변)=k=11(ak)2+k=11(ak+1)2+2(a21)=14\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{1} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{1} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{2} - 1 \right) = {\square {\frac{1}{4}}}이므로 (*)이 성립한다. (ⅱ) n=m(m1)n = m \left( m \geq 1 \right)일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 k=1m(akak+1)2=k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(am+11)\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{m + 1} - 1 \right) 이므로 k=1m+1(akak+1)2\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2}=k=1m(akak+1)2+(am+1am+2)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} a _{k + 1} \right) ^{2} + \left( a _{m + 1} a _{m + 2} \right) ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(am+11)+(am+1am+2)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{m + 1} - 1 \right) + \left( a _{m + 1} a _{m + 2} \right) ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(1m+11)+{1(m+1)(m+2)}2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( \frac{1}{m + 1} - 1 \right) + \left\{ \frac{1}{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right)} \right\} ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2(1m+11)+(1m+11m+2)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( \frac{1}{m + 1} - 1 \right) + \left( \frac{1}{m + 1} - \frac{1}{m + 2} \right) ^{2} =k=1m(ak)2+k=1m(ak+1)2+2{1m+111(m+1)(m+2)}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left\{ \frac{1}{m + 1} - 1 - \frac{1}{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right)} \right\} +(1m+1)2+(1m+2)2\displaystyle + \left( \frac{1}{m + 1} \right) ^{2} + \left( \frac{1}{m + 2} \right) ^{2} =k=1m+1(ak)2+k=1m+1(ak+1)2+2{1m+111(m+1)(m+2)}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left\{ \frac{1}{m + 1} - 1 - {\square {\frac{1}{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right) ^{}}}} \right\} =k=1m+1(ak)2+k=1m+1(ak+1)2+2(1m+21)\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( \frac{1}{m + 2} - 1 \right) =k=1m+1(ak)2+k=1m+1(ak+1)2+2(am+21)\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{2} + \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k + 1} \right) ^{2} + 2 \left( a _{m + 2} - 1 \right) 이다. 따라서 n=m+1n = m + 1일 때에도 (*)이 성립한다. (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다. 이 과정에서 p=14\displaystyle p = \frac{1}{4}, f(m)=1(m+1)(m+2)\displaystyle f ( m ) = \frac{1}{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right)}이므로 pf(14)=60\displaystyle \frac{p}{f ( 14 )} = 60이다.

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