수열의 귀납적 정의

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1. 개요2. 점화식을 일반항으로 바꾸기
2.1. 기본2.2. 심화
2.2.1. 형태 12.2.2. 형태 22.2.3. 형태 3
3. 일반항을 구하기 어려운 경우

1. 개요[편집]

nn번째 항을 nn보다 작은항들의 관계식으로서 '귀납적()'으로 수열()을 정의()하는 것. 수열 자기 자신의 항들로 정의한다고 해서 '재귀적() 정의'라고도 한다. 이렇게 나타낸 식을 점화식이라고 한다.

수열의 귀납적 정의에서는 한 수열의 여러 항이 동시에 등장하는데 수열의 모든 항을 유일하게 결정하려면, 처음 몇 개 항의 값을 밝혀주어야 한다. 예를 들어 수열 ana_nan=an1+2a_n=a_{n-1}+2로 정의하고 싶다면, a1a_1에 값을 줘야 모든 항의 값을 결정할수 있다. 반면, an=an1+an2a_{n}=a_{n-1}+a_{n-2}의 경우에는 a1a_{1}a2a_{2}에 값을 줘야 한다.

점화식으로부터 일반항을 구하는 것은 경우에 따라서 매우 어렵다. 쉽게 말해 미적분학의 상미분방정식 위치에 있다고 보면 되지만, 난이도는 심지어 미분방정식보다 더 어렵다.

2. 점화식을 일반항으로 바꾸기[편집]

2.1. 기본[편집]

2.1.1. 등차수열[편집]

등차수열의 점화식은 an+1=an+da_{n+1}=a_n+d 꼴이다. nn11부터 n1n-1까지의 자연수를 차례로 대입하면

a2=a1+da3=a2+d    an1=an2+d+an=an1+dan=a1+(n1)d \begin{aligned} \cancel{a_2}&=a_1+d \\ \cancel{a_3}&=\cancel{a_2}+d \\ &\quad \; \; \vdots \\ \cancel{a_{n-1}}&=\cancel{a_{n-2}}+d \\ +\qquad a_n&=\cancel{a_{n-1}}+d \\ \hline \therefore a_n&=a_1+(n-1)d \end{aligned}

등차중항을 이용하여 2an+1=an+an+22a_{n+1}=a_n+a_{n+2}로 정의할 수도 있다.

2.1.2. 등비수열[편집]

등비수열의 점화식은 an+1=rana_{n+1}=ra_n 꼴이다. nn11부터 n1n-1까지의 자연수를 차례로 대입하면

a2=ra1a3=ra2    an1=ran2×an=ran1an=a1rn1 \begin{aligned} \cancel{a_2}&=ra_{1} \\ \cancel{a_3}&=r\cancel{a_{2}} \\ & \; \; \vdots \\ \cancel{a_{n-1}}&=r\cancel{a_{n-2}} \\ \times\qquad a_n&=r\cancel{a_{n-1}} \\ \hline \therefore a_n&=a_1r^{n-1} \end{aligned}

등비중항을 이용하여 an+12=anan+2{a_{n+1}}^2=a_na_{n+2}로 정의할 수도 있다.

2.2. 심화[편집]

2.2.1. 형태 1[편집]

pan+2+qan+1+ran=0pa_{n+2}+qa_{n+1}+ra_n=0(단, p+q+r=0p+q+r=0)에서 ana_n의 일반항을 도출해 보자.


pan+2pan+1+ranran+1=0p(an+2an+1)=r(an+1an)an+2an+1=rp(an+1an)(q=(p+r))\begin{aligned} pa_{n+2}-pa_{n+1}+ra_n-ra_{n+1}&=0 \\ p(a_{n+2}-a_{n+1})&=r(a_{n+1}-a_n) \\a_{n+2}-a_{n+1}&=\dfrac{r}{p}(a_{n+1}-a_n) \quad (\because q=-(p+r))\end{aligned}

이때, bnb_{n}을 아래와 같이 놓으면,

bn=an+1anbn=rpbn1b_n=a_{n+1}-a_n \quad \to \quad b_n=\dfrac{r}{p}b_{n-1}

이는 수열 bnb_n에 대한 귀납적 정의이다. 앞서 알아본 대로 bnb_n은 공비가 r/pr/p인 등비수열이 되며 일반항은

bn=b1(rp)n1=(a2a1)(rp)n1b_n=b_1\left(\dfrac{r}{p}\right)^{n-1}=(a_2-a_1)\left(\dfrac{r}{p}\right)^{n-1}

한편,

b1=a2a1b2=a3a2    bn2=an1an2+bn1=anan1k=1n1bk=ana1an=k=1n1bk+a1 \begin{aligned} b_1&=\cancel{a_2}-a_1 \\ b_2&=\cancel{a_3}-\cancel{a_2} \\ &\quad \; \; \vdots \\ b_{n-2}&=\cancel{a_{n-1}}-\cancel{a_{n-2}}\\ +\qquad b_{n-1}&=a_{n}-\cancel{a_{n-1}} \\ \hline \displaystyle \sum_{k=1}^{n-1} b_k&=a_n-a_1 \quad \to \quad a_n=\sum_{k=1}^{n-1} b_k+a_1 \end{aligned}

2.2.2. 형태 2[편집]

an+1=pan+qa_{n+1}=pa_n+q(단, p0p \neq 0, p1p \neq 1, q0q \neq 0)에서 ana_n의 일반항을 도출해 보자. 우선 적당한 α\alpha를 찾아,

an+1α=p(anα)a_{n+1}-α=p(a_n-α)

의 꼴로 변환한다.

bn=anαb_n=a_n-\alpha

로 놓으면 bn+1=pbnb_{n+1}=pb_n이므로 bnb_n은 공비가 pp인 등비수열이다. 이에 따라 ana_n의 일반항은

bn=b1pn1anα=(a1α)pn1an=(a1α)pn1+α\begin{aligned} b_n &=b_1⋅p^{n-1}\\a_n-\alpha&=(a_1-\alpha)p^{n-1}\\ \\ \therefore a_n&=(a_1-\alpha)p^{n-1}+\alpha \end{aligned}

2.2.3. 형태 3[편집]

an+1=pan/(qan+r)a_{n+1}={pa_n}/{(qa_n+r)}의 일반항을 도출해 보자. 양변에 역수를 취하면

1an+1=qan+rpan1an+1=qp+rp1an\dfrac{1}{a_{n+1}}=\dfrac{qa_n+r}{pa_n} \quad \to \quad \dfrac{1}{a_{n+1}}=\dfrac{q}{p}+\dfrac{r}{p}⋅\dfrac{1}{a_n}

bn=1/anb_n=1/{a_n}로 놓으면

bn+1=qp+rpbnb_{n+1}=\dfrac{q}{p}+\dfrac{r}{p}b_n

이 형태는 q0q\neq 0이면 앞서 설명한 an+1=pan+qa_{n+1}=pa_n+q(단, p0p \neq 0, p1p \neq 1, q0q \neq 0)와 같으며, q=0q=0이면 bnb_n은 공비가 r/pr/p인 등비수열이 된다.

3. 일반항을 구하기 어려운 경우[편집]

앞서 설명한 것들은 그래도 풀이가 매우 단순하고 정형화된 축에 속하며, 점화식이 교육과정에서는 삭제되었을지언정 고등학생들도 내신과 수능을 위해 공부하면 좋을 내용이다. 그러나 수열을 귀납적으로 정의하는 방법은 얼마든지 다양하며, 그 한없이 다양한 정의에 대하여 정형화된 일반항 도출 방법을 얼른 얻어낼 수가 없기 때문에, 비슷한 특성이 있는 미분방정식과 함께 종종 거론된다.

단적인 예로 피보나치 수열이 있다. 피보나치 수열은 두 개의 11로 시작하여 앞 두 항을 더하여 새로운 항을 계속 얻어내는 수열이므로 점화식 도출이야 일도 아니다. 그러나 피보나치 수열의 일반항을 구하기란 쉽지 않은데, 상당히 일반항이 복잡하다. 자세한 사항은 피보나치 수열 문서를 참고하라.

그 외에, 완전순열도 점화식까지는 어느 정도 머리를 쓰면 도출해낼 수 있지만 그를 바탕으로 일반항을 구하기란 역시 까다롭다. 완전순열 참고.