대수수학적 귀납법수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

수학적 귀납법 빈칸

문제

수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 일반항은 an=n+1a _{n} = n + 1이다. 다음은 모든 자연수 nn에 대하여 (k=1nak)2=k=1n(ak)32k=1nak\displaystyle \left( \sum\limits _{k = 1} ^{n} a _{k} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{n} a _{k} ()\cdots \cdots ( * ) 이 성립함을 수학적 귀납법을 이용하여 증명한 것이다.

(i) n=1n = 1일 때 (좌변)=(k=11ak)2=()\displaystyle = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{1} a _{k} \right) ^{2} = {\square {( \text{가} )}}, (우변)=k=11(ak)32k=11ak=()\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{1} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{1} a _{k} = {\square {( \text{가} )}}이므로 (*)이 성립한다. (ii) n=m(m1)n = m \left( m \geq 1 \right)일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 (k=1mak)2=k=1m(ak)32k=1mak\displaystyle \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k}이므로 (k=1m+1ak)2=(k=1mak+am+1)2\displaystyle \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} a _{k} \right) ^{2} = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + a _{m + 1} \right) ^{2} =(k=1mak)2+2(k=1mak)am+1+(am+1)2\displaystyle = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) ^{2} + 2 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) a _{m + 1} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)32k=1mak+2(k=1mak)am+1+(am+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + 2 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) a _{m + 1} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)3+(())k=1mak+(am+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + \left( {\square {( \text{나} )}} \right) \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)3+m3+5m2+7m+4\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + m ^{3} + 5 m ^{2} + 7 m + 4 =k=1m(ak)3+(am+1)3(m2+5m+4)\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + \left( a _{m + 1} \right) ^{3} - ( m ^{2} + 5 m + 4 ) =k=1m+1(ak)32k=1m+1ak\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} a _{k} 이다. 따라서 n=m+1n = m + 1일 때에도 (*)이 성립한다. (i), (ii)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다.

(i), (ii)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다.

위의 (가)에 알맞은 수를 pp, (나)에 알맞은 식을 f(m)f \left( m \right)이라 할 때, f(p)f \left( p \right)의 값은? [4점] 10101111121213131414

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해설

[출제의도] 수학적 귀납법을 이용하여 증명과정 추론하기 (i) n=1n = 1일 때 (좌변)=(k=11ak)2=4\displaystyle = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{1} a _{k} \right) ^{2} = \square {4}, (우변)=k=11(ak)32k=11ak=4\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{1} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{1} a _{k} = \square {4}이므로 (*)이 성립한다. (ii) n=m(m1)n = m ( m \geq 1 )일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 (k=1mak)2=k=1m(ak)32k=1mak\displaystyle \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) ^{2} = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k}이므로 (k=1m+1ak)2=(k=1mak+am+1)2\displaystyle \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} a _{k} \right) ^{2} = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + a _{m + 1} \right) ^{2} =(k=1mak)2+2(k=1mak)am+1+(am+1)2\displaystyle = \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) ^{2} + 2 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) a _{m + 1} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)32k=1mak+2(k=1mak)am+1+(am+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + 2 \left( \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} \right) a _{m + 1} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)3+(2m+2)k=1mak+(am+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + \left( {\square {2 m + 2}} \right) \sum\limits _{k = 1} ^{m} a _{k} + \left( a _{m + 1} \right) ^{2} =k=1m(ak)3+m3+5m2+7m+4\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + {m ^{3} + 5 m ^{2} + 7 m + 4} =k=1m(ak)3+(am+1)3(m2+5m+4)\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} \left( a _{k} \right) ^{3} + ( a _{m + 1} ) ^{3} - \left( {m ^{2} + 5 m + 4} \right. ) =k=1m+1(ak)32k=1m+1ak\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} \left( a _{k} \right) ^{3} - 2 \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} a _{k} 이다. 따라서 n=m+1n = m + 1일 때에도 (*)이 성립한다. (i), (ii)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다. p=4,p = 4 , f(m)=2m+2f \left( m \right) = 2 m + 2이므로 f(4)=10f \left( 4 \right) = 10

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