수학적 귀납법
STEP 1
개념 읽기
번호 순서대로 읽어요. 색 상자는 꼭 외울 것, 점선 상자는 이해만 하면 되는 예시예요.
이 개념에서 배울 것
모든 자연수 에 대하여 명제 이 성립함을 보이려면 (i) 일 때 성립하고, (ii) 일 때 성립한다고 가정하면 일 때도 성립함을 보여요. 인 명제는 (i) 에서 을 확인해요.
정의 — 뜻, 외우기성질·공식 — 외우기주의 — 틀리기 쉬운 곳예 — 이해만점선 밑줄 다른 개념과 이어진 말 — 오른쪽 카드(휴대폰은 오른쪽 ‹ 탭)에서 청록 앞 개념 · 주황 뒤 개념형광 핵심 용어
1수학적 귀납법의 원리
정의수학적 귀납법
자연수 에 대한 명제 이 모든 자연수 에 대하여 성립함을 증명하려면 다음 두 가지를 보이면 된다.
(i) 일 때 이 성립한다.
(ii) 일 때 이 성립한다고 가정하면 일 때도 이 성립한다.
이와 같이 명제가 참임을 증명하는 방법을 수학적 귀납법이라 한다.
(i) 일 때 이 성립한다.
(ii) 일 때 이 성립한다고 가정하면 일 때도 이 성립한다.
이와 같이 명제가 참임을 증명하는 방법을 수학적 귀납법이라 한다.
학생
(i), (ii) 두 가지만 보이면 왜 모든 자연수에서 성립해요?
쌤
도미노와 같아요. 첫 번째가 넘어지고( 에서 참), 어느 하나가 넘어지면 다음 것도 넘어지게( 에서 참이면 에서도 참) 해 두면 전부 넘어져요.
왜 모든 자연수에서 성립하는가
↳◀(i)
↳◀(ii) 에서
↳◀(ii) 에서
↳◀끝없이 이어져요
도미노에 비유하면 (i) 은 첫 번째 도미노를 넘어뜨리는 것이고, (ii) 는 어느 도미노가 넘어지면 바로 다음 도미노도 넘어지도록 세워 두는 거예요.
⚠ 주의(ii) 에서 「가정」의 뜻
(ii) 는 가 참임을 보이는 것이 아니에요.
「 가 참이면 도 참」이라는 연결을 보이는 거예요.
그래서 를 근거로 써도 되고, 반드시 써야 해요.
「 가 참이면 도 참」이라는 연결을 보이는 거예요.
그래서 를 근거로 써도 되고, 반드시 써야 해요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
수학적 귀납법의 (ii) 에서 보여야 하는 것은?
(i) 을 빠뜨린 증명
✗ 틀린 풀이
명제 에서
일 때 성립한다고 가정하고 양변에 을 더하면
이므로 모든 자연수 에 대하여 성립한다.
일 때 성립한다고 가정하고 양변에 을 더하면
이므로 모든 자연수 에 대하여 성립한다.
왜 틀렸나 수학적 귀납법은 (i) 일 때와 (ii) 를 모두 보여야 하므로 (i) 을 반드시 확인한다.
✓ 바른 풀이
일 때
좌변은
우변은
(i) 이 성립하지 않으므로 이 명제는 증명되지 않는다. 실제로 거짓이다.
좌변은
우변은
(i) 이 성립하지 않으므로 이 명제는 증명되지 않는다. 실제로 거짓이다.
(ii) 의 계산은 맞지만, 넘어지는 첫 번째 도미노가 없어요.
몇 개만 확인하는 것은 증명이 아니다
✗ 틀린 풀이
은 일 때 모두 소수이므로 모든 자연수 에 대하여 소수이다.
왜 틀렸나 모든 자연수에 대한 명제는 유한 개의 예로는 증명할 수 없고 (ii) 단계가 필요하다.
✓ 바른 풀이
이면
이므로 소수가 아니다.
이므로 소수가 아니다.
유한 개의 에서 확인한 것은 (ii) 를 대신할 수 없어요.
2등식의 증명
등식의 증명에서는 일 때의 등식을 출발점으로 삼아 일 때의 등식을 만들어요.
예
모든 자연수 에 대하여
- 1(i) 일 때
좌변은 , 우변은 이므로 성립해요.좌변은 첫째항 하나뿐이에요. - 2(ii) 일 때 성립한다고 가정하면이 가정을 아래에서 써요.
- 3양변에 을 더하면더하는 항은 일반항 의 에 을 넣은 거예요.
- 4따라서 일 때도 성립해요.우변이 의 에 을 넣은 이 되었어요.
- 5(i), (ii)에 의하여 모든 자연수 에 대하여 성립해요.
일 때 좌변의 마지막 항은 일반항 의 에 을 넣은 이에요.
그래서 일 때의 등식 양변에 을 더해요.
학생
증명할 식에서 출발하면 왜 안 돼요?
쌤
일 때의 식은 아직 증명할 대상이라서 참이라고 쓸 수 없어요. 참이라고 가정한 일 때의 식에서 출발해 그 꼴을 만들어야 해요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
의 (ii) 에서 일 때의 등식 양변에 더하는 것은?
양변에 더하는 항
✗ 틀린 풀이
의 양변에
을 더한다.
을 더한다.
왜 틀렸나 일 때를 보이려면 양변에 다음 항인 제항 을 더해야 한다.
✓ 바른 풀이
의 양변에
을 더한다.
을 더한다.
은 이미 있는 번째 항이에요. 다음 항은 일반항의 에 을 넣어요.
증명할 식에서 출발하는 실수
✗ 틀린 풀이
일 때의 등식
이 성립한다고 놓고 정리하여 을 얻는다.
이 성립한다고 놓고 정리하여 을 얻는다.
왜 틀렸나 수학적 귀납법의 (ii) 는 일 때의 가정에서 출발하여 일 때의 식에 도착해야 한다.
✓ 바른 풀이
일 때의 등식(가정)에서 출발하여
양변에 을 더해 을 얻는다.
양변에 을 더해 을 얻는다.
증명할 식을 참이라고 놓고 시작하면 안 돼요. 가정에서 출발하여 목표에 도착해야 해요.
자세히 보기펼치기왜 그런지예제
등식을 증명하는 순서
- 1을 넣어 양변의 값이 같은지 확인해요.(i)
- 2일 때의 등식을 써요.(ii) 의 가정
- 3목표인 일 때의 우변을 미리 써 둬요.정리할 방향을 알 수 있어요.
- 4가정한 등식의 양변에 번째 항을 더해요.일반항의 에 을 넣은 항이에요.
- 5우변을 정리하여 목표와 같아짐을 보여요.공통인수 로 먼저 묶으면 계산이 짧아요.
같은 순서로 자연수의 제곱의 합 공식도 증명할 수 있어요.
응용
↳◀(i)
↳◀(ii) 일 때 가정
↳◀목표: 일 때의 우변
↳◀양변에 을 더해 묶어요
↳◀목표와 같아요
3부등식의 증명
성질 인 자연수에 대한 명제
명제가 인 모든 자연수 에 대한 것이면 다음 두 가지를 보인다.
(i) 일 때 성립한다.
(ii) () 일 때 성립한다고 가정하면 일 때도 성립한다.
첫 번째로 넘어뜨리는 도미노가 번째인 셈이다.
(i) 일 때 성립한다.
(ii) () 일 때 성립한다고 가정하면 일 때도 성립한다.
첫 번째로 넘어뜨리는 도미노가 번째인 셈이다.
예
인 모든 자연수 에 대하여
- 1(i) 일 때
좌변은 , 우변은 이므로 성립해요.시작 값 를 넣어요. - 2(ii) () 일 때 성립한다고 가정하면
- 3양변에 을 곱하면이므로 부등호의 방향이 그대로예요.
- 4이면 이므로남은 두 식 와 의 대소를 비교해요.
- 5따라서 이므로 일 때도 성립해요.
- 6(i), (ii)에 의하여 인 모든 자연수 에 대하여 성립해요.
이면
이므로 성립하지 않아요. 그래서 처음으로 성립하는 부터 (i) 을 확인해요.
학생
(ii) 에서 라는 조건은 어디에 써요?
쌤
에서 써요. 이니까 이고, 그래서 이에요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
인 모든 자연수 에 대하여 임을 증명할 때 (i) 에서 확인하는 것은?
시작 값
✗ 틀린 풀이
일 때 을 증명하면서
(i) 에서 일 때를 확인한다.
(i) 에서 일 때를 확인한다.
왜 틀렸나 에서 성립함을 보이는 증명은 (i) 에서 시작 값 일 때를 확인해야 한다.
✓ 바른 풀이
(i) 에서 일 때
을 확인한다.
을 확인한다.
이면 이 거짓이에요. 첫 번째 도미노는 이에요.
성질부등식의 (ii) 에서 쓰는 방법
자세히 보기펼치기예제
응용
일 때
↳◀(i)
↳◀(ii) 일 때 가정
↳◀양변에 를 곱해요
↳◀남은 두 식의 차
↳◀
↳◀ 일 때도 성립해요
4증명 빈칸 채우기 형식
시험에서는 증명의 일부를 (가), (나) 같은 빈칸으로 비워 두고 채우게 하는 문제가 자주 나와요.
예예
(i) 일 때
좌변은 , 우변은 이므로 성립해요.
(ii) 일 때 성립한다고 가정하면
양변에 (가) 를 더하면 우변은
(가) (나)
따라서 일 때도 성립해요.
(i), (ii)에 의하여 모든 자연수 에 대하여 성립해요.
빈칸: (가) , (나)
좌변은 , 우변은 이므로 성립해요.
(ii) 일 때 성립한다고 가정하면
양변에 (가) 를 더하면 우변은
(가) (나)
따라서 일 때도 성립해요.
(i), (ii)에 의하여 모든 자연수 에 대하여 성립해요.
빈칸: (가) , (나)
학생
빈칸 채우기 증명 문제는 어떻게 풀어요?
쌤
목표인 일 때의 식을 먼저 써 두고 거꾸로 맞춰요. 양변에 더하는 항은 일반항의 에 을 넣은 거예요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
의 (ii) 에서 양변에 더하는 항은?
자세히 보기펼치기왜 그런지
빈칸이 있는 수학적 귀납법 증명 읽기
- 1(i) 의 빈칸은 시작 값을 넣어 양변을 계산한 값이에요.또는
- 2(ii) 의 가정 식은 명제의 에 를 넣은 꼴이에요.
- 3양변에 더하는(곱하는) 것은 일반항의 에 을 넣은 항이에요.
- 4정리한 결과는 명제의 에 을 넣은 꼴이어야 해요.목표를 먼저 써 두면 빈칸을 거꾸로 찾을 수 있어요.
5귀납적 정의와 수학적 귀납법
귀납적으로 정의된 수열에서 추측한 일반항도 수학적 귀납법으로 증명해요.
학생
(ii) 에서는 무엇을 어디에 대입해요?
쌤
관계식에 가정을 넣어요. 에 을 넣으면 이 되어 일반항 꼴이 나와요.
추측한 일반항 증명하기
이면
↳◀(i)
↳◀(ii) 일 때 가정
↳◀관계식에 넣어요
↳◀모든 자연수 에서 성립
공식(ii) 에서 하는 일 나란히 비교
등식
우변을 일 때의 꼴로 정리
부등식
을 쓴다
귀납적 정의
을 일반항의 꼴로 정리
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
의 일반항 을 증명할 때 (ii) 의 계산으로 옳은 것은?
성질검산
(ii) 에서 얻은 식에 을 넣어 를 직접 계산한 값과 같은지 확인한다.
예: 에서 이면
예: 에서 이면
6명제가 이어지는 방식이 다를 때
수학적 귀납법의 (ii) 는 「 가 참이면 도 참」이라는 연결이에요.
연결이 에서 나 로 바뀌면 참이라고 말할 수 있는 도 바뀌어요.
공식출발점과 연결 방식에 따라 참인
,
,
,
성질참이라고 할 수 있는 범위
출발점에서 시작해 주어진 연결을 되풀이할 때 닿는 에 대해서만 이 참이라고 할 수 있다.
닿지 않는 은 주어진 조건만으로는 참인지 알 수 없다.
닿지 않는 은 주어진 조건만으로는 참인지 알 수 없다.
학생
이 참이고 이면 일 때, 는 거짓이에요?
쌤
거짓이라고도 할 수 없어요. 주어진 조건으로는 홀수에만 닿기 때문에 짝수일 때는 참인지 거짓인지 알 수 없는 거예요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
가 참이고 가 참이면 도 참일 때, 반드시 참인 것은?
자세히 보기펼치기예제
응용
출발점이 두 개일 때
↳◀출발점 두 개
↳◀홀수
↳◀짝수
한눈에 정리
이것만은 꼭 기억하세요. 읽은 내용을 떠올리며 하나씩 확인해 보세요.
- 1자연수 에 대한 명제 이 모든 자연수 에 대하여 성립함을 보이려면 다음 두 가지를 보인다.
(i) 일 때 성립한다.
(ii) 일 때 성립한다고 가정하면 일 때도 성립한다. - 2등식은 일 때의 등식 양변에 번째 항을 더하여 일 때의 꼴로 정리한다.
- 3 인 자연수에 대한 명제는 (i) 에서 일 때를 확인한다. 부등식의 (ii) 는 가정을 쓴 뒤 남은 두 식의 대소를 비교한다.
- 4몇 개의 에서 확인하는 것은 증명이 아니다. (i) 과 (ii) 를 모두 보여야 한다.
✗ 자주 하는 실수
- (ii) 만 보이고 (i) 을 확인하지 않거나, 몇 개의 에서 확인한 것을 증명으로 여겨요.
- 등식의 (ii) 에서 일반항의 에 이 아니라 를 넣은 항을 더하거나, 증명할 일 때의 식을 참이라고 놓고 출발해요.
- 인 명제에서 (i) 을 로 확인하거나, 부등식의 (ii) 에서 이라는 조건 없이 대소를 비교해요.
STEP 2
예제로 익히기
풀이를 보기 전에 먼저 직접 풀어 보고, 한 단계씩 펼쳐 확인하세요.
- 예제 1모든 자연수 에 대하여 이 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하시오.
- 예제 2모든 자연수 에 대하여 이 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하시오.
- 예제 3일 때, 인 모든 자연수 에 대하여 가 성립함을 수학적 귀납법으로 증명하시오.