대수수학적 귀납법수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

수학적 귀납법 빈칸

문제

다음은 모든 자연수 nn에 대하여 k=1nk{k+(k+1)+(k+2)++n}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{n} k \left\{ k + ( k + 1 ) + ( k + 2 ) + \cdots + n \right\} =n(n+1)(n+2)(3n+1)24\displaystyle = \frac{n ( n + 1 ) ( n + 2 ) ( 3 n + 1 )}{24} \cdots \cdots(*) 이 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하는 과정이다.

(ⅰ) n=1n = 1일 때, (좌변)=1( \text{좌변} ) = 1, (우변)=1( \text{우변} ) = 1이므로 (*)이 성립한다. (ⅱ) n=mn = m일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 k=1mk{k+(k+1)+(k+2)++m}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + ( k + 2 ) + \cdots + m \right\} =m(m+1)(m+2)(3m+1)24\displaystyle = \frac{m ( m + 1 ) ( m + 2 ) ( 3 m + 1 )}{24} 이다. n=m+1n = m + 1일 때, (*)이 성립함을 보이자. k=1m+1k{k+(k+1)+(k+2)++m+(m+1)}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k \left\{ k + ( k + 1 ) + ( k + 2 ) + \cdots + m + ( m + 1 ) \right\} =k=1mk{k+(k+1)+(k+2)++m+(m+1)}+()\displaystyle = \sum\limits _{k=1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + ( k + 2 ) + \cdots + m + ( m + 1 ) \right\} + {\square {\left( \text{가} \right)}} =k=1mk{k+(k+1)+(k+2)++m}+()+()\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + ( k + 2 ) + \cdots + m \right\} + {\square {\left( \text{나} \right)}} + {\square {\left( \text{가} \right)}} =(m+1)(m+2)(m+3)(3m+4)24\displaystyle = \frac{( m + 1 ) ( m + 2 ) ( m + 3 ) ( 3 m + 4 )}{24} 따라서 n=m+1n = m + 1일 때도 성립한다. (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다.

위의 (가), (나)에 알맞은 식을 각각 f(m)f ( m ), g(m)g ( m )이라 할 때, f(4)+g(2)f ( 4 ) + g ( 2 )의 값은? [4점] 34343636383840404242

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해설

[출제의도] 수학적 귀납법을 이용하여 명제를 증명한다. (ⅰ) n=1n = 1일 때, (좌변)=1( \text{좌변} ) = 1, (우변)=1( \text{우변} ) = 1이므로 (*)이 성립한다. (ⅱ) n=mn = m일 때, (*)이 성립한다고 가정하면 k=1mk{k+(k+1)++m}=m(m+1)(m+2)(3m+1)24\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + \cdots + m \right\} = \frac{m ( m + 1 ) ( m + 2 ) ( 3 m + 1 )}{24} 이므로 k=1m+1k{k+(k+1)++(m+1)}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{m + 1} k \left\{ k + ( k + 1 ) + \cdots + ( m + 1 ) \right\} =k=1mk{k+(k+1)++(m+1)}+(m+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k=1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + \cdots + ( m + 1 ) \right\} + \square {( m + 1 ) ^{2}} =k=1mk{k+(k+1)++m}+(m+1)k=1mk+(m+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k=1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + \cdots + m \right\} + \left( m + 1 \right) \sum\limits _{k=1} ^{m} k + \square {( m + 1 ) ^{2}} =k=1mk{k+(k+1)++m}+m(m+1)22+(m+1)2\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{m} k \left\{ k + ( k + 1 ) + \cdots + m \right\} + {\square {\frac{m ( m + 1 ) ^{2}}{2}}} + {\square {( m + 1 ) ^{2}}} =m(m+1)(m+2)(3m+1)24+m(m+1)22+(m+1)2\displaystyle = \frac{m ( m + 1 ) ( m + 2 ) ( 3 m + 1 )}{24} + {\square {\frac{m ( m + 1 ) ^{2}}{2}}} + {\square {( m + 1 ) ^{2}}} =m(m+1)(m+2)(3m+1)24+(m+1)2(m+2)2\displaystyle = \frac{m ( m + 1 ) ( m + 2 ) ( 3 m + 1 )}{24} + \frac{\left( m + 1 \right) ^{2} \left( m + 2 \right)}{2} =(m+1)(m+2){m(3m+1)+12(m+1)}24\displaystyle = \frac{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right) \left\{ m ( 3 m + 1 ) + 12 ( m + 1 ) \right\}}{24} =(m+1)(m+2)(3m2+13m+12)24\displaystyle = \frac{\left( m + 1 \right) \left( m + 2 \right) \left( 3 m ^{2} + 13 m + 12 \right)}{24} =(m+1)(m+2)(m+3)(3m+4)24\displaystyle = \frac{( m + 1 ) ( m + 2 ) ( m + 3 ) ( 3 m + 4 )}{24} =(m+1){(m+1)+1}{(m+1)+2}{3(m+1)+1}24\displaystyle = \frac{{( m + 1 ) \left\{ ( m + 1 ) + 1 \right\} \left\{ ( m + 1 ) + 2 \right\} \left\{ 3 ( m + 1 ) + 1 \right\}}}{24} 따라서 n=m+1n = m + 1일 때도 (*)이 성립한다. (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 모든 자연수 nn에 대하여 (*)이 성립한다. f(m)=(m+1)2f ( m ) = ( m + 1 ) ^{2}, g(m)=m(m+1)22\displaystyle g ( m ) = \frac{m ( m + 1 ) ^{2}}{2}이므로 f(4)=(4+1)2f ( 4 ) = ( 4 + 1 ) ^{2}=25= 25, g(2)=2(2+1)22=9\displaystyle g ( 2 ) = \frac{2 ( 2 + 1 ) ^{2}}{2} = 9 따라서 f(4)+g(2)f ( 4 ) + g ( 2 )=25+9= 25 + 9=34= 34

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