나뭇잎 교과서

수열의 뜻

\(1, 3, 5, 7, \cdots\)처럼 수를 차례로 늘어놓은 것을 수열이라고 합니다. 이 절에서는 '차례'가 무엇을 뜻하는지 함수로 다시 보고, 수열을 기호 \(a_n\)으로 적는 방법을 익힙니다. 처음 몇 항만 보고 다음 항을 단정할 수 있는지도 따져 봅니다.

본문

수열의 뜻

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1, 4, 9, 16, … 다음에 올 수는 25일까? 1, 2, 4, 8 다음은 꼭 16일까? 수를 차례로 늘어놓은 것을 수학에서는 어떻게 정확하게 다루고, '다음 수'를 확실히 말하려면 무엇이 주어져야 할까?

그림 1. 수열은 자연수 \(n\)마다 수 \(a_n\)을 하나씩 대응시킨 함수이므로, 그래프는 띄엄띄엄한 점으로 나타난다.
먼저 알아야 할 것함수의 뜻, 정의역과 치역(공통수학2), 일차함수와 이차함수의 그래프.

3.1.1수열과 항

차례로 늘어놓은 수의 열을 수열이라 하고, 늘어놓은 수 하나하나를 그 수열의 항이라 한다. 앞에서부터 첫째항, 둘째항, …, \(n\)째항이라 하고 \(a_1, a_2, \ldots, a_n, \ldots\)으로 쓴다. 수열을 간단히 \(\{a_n\}\)으로 나타낸다.

그런데 수열에서 중요한 것은 수만이 아니라 순서이다. '셋째 자리의 수'처럼 자리 번호마다 수가 하나씩 정해져 있기 때문이다. 따라서 수열은 자연수 1, 2, 3, …을 정의역으로 하고 각 자연수 \(n\)에 \(a_n\)을 대응시키는 함수로 볼 수 있다.

정의 3.1.1 수열과 일반항

수열 \(\{a_n\}\)은 자연수 전체의 집합을 정의역으로 하는 함수 \(f(n) = a_n\)이다. 제\(n\)항 \(a_n\)을 \(n\)에 대한 식으로 나타낸 것을 일반항이라 한다.

그림 1에서 일반항을 바꾸어 보자. \(a_n = n^2\)의 점들은 포물선 \(y = x^2\) 위에 띄엄띄엄 놓인다. 정의역이 자연수뿐이므로 그래프는 이어진 곡선이 아니라 점의 모임이다.

3.1.2앞의 몇 항만으로는 정해지지 않는다

1, 2, 4, 8 다음은 16일 것 같다. 그런데 \(a_n = 2^{n-1}\)도 1, 2, 4, 8, 16, …이고, \(a_n = \dfrac{n^3 - 3n^2 + 8n}{6}\)도 앞의 네 항이 1, 2, 4, 8로 같다. 이 수열의 다섯째 항은 15이다.1 다시 말해 앞의 몇 항이 같아도 그 뒤가 같다는 보장은 없다.

그래서 수열을 정확하게 주려면 일반항을 주거나, 첫째항과 이웃한 항 사이의 규칙을 주어야 한다. '규칙을 짐작하는 것'과 '규칙이 주어진 것'은 다르다. 그림 1의 마지막 두 일반항을 번갈아 보면, 넷째 항까지는 점이 겹치다가 다섯째 항부터 갈라진다.

n1234… aₙ14916… aₙ = n²
그림 2. 수열은 자리 번호 \(n\)에 수 \(a_n\)을 하나씩 대응시키는 함수이다.

3.1.3예제 풀이

예제 3.1.2

일반항이 \(a_n = n^2 - 6n + 10\)인 수열의 첫째항부터 제5항까지 구하고, 가장 작은 항을 구하여라. 또 이 수열에서 50은 제몇 항인가?

\(n = 1, 2, 3, 4, 5\)를 차례로 넣으면 5, 2, 1, 2, 5이다. 일반항을 \(a_n = (n - 3)^2 + 1\)로 고치면, \(n = 3\)일 때 가장 작은 항 1을 갖는다. 그래프로 보면 꼭짓점이 \((3, 1)\)인 포물선 위의 점들이다.

50이 제몇 항인지는 \(n^2 - 6n + 10 = 50\)을 풀면 된다. \(n^2 - 6n - 40 = 0\), 곧 \((n - 10)(n + 4) = 0\)이다. \(n\)은 자연수여야 하므로 \(n = 10\)이고, 50은 제10항이다.

방정식의 해 \(n = -4\)를 버린 것은 수열의 정의역이 자연수이기 때문이다. 함수로 보는 관점이 이런 판단의 근거가 된다. 아래 탐구 카드에서 일반항을 바꾸며 점그래프와 '다음 항'을 직접 확인해 보자.

  1. \(a_n = \tfrac{n^3 - 3n^2 + 8n}{6}\)에 \(n = 1, 2, 3, 4, 5\)를 넣으면 1, 2, 4, 8, 15가 된다. 이 수는 덩어리 하나를 평면으로 \(n - 1\)번 자를 때 생길 수 있는 최대 조각 수와 같다.
마무리

수열은 자연수 \(n\)마다 수 \(a_n\)을 하나씩 정하는 함수이고, 일반항은 그 대응을 \(n\)의 식으로 쓴 것이다. 앞의 몇 항이 같아도 다른 수열일 수 있으므로, 수열은 일반항이나 규칙이 주어져야 정해진다. 그래서 처음 질문의 1, 2, 4, 8 다음은 규칙이 주어지기 전에는 16이라고 단정할 수 없다.

탐구 1

수열은 어떤 함수일까?

수열의 뜻 · 항과 일반항

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번호 n
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항 \(a_n\)
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\(a_{n+1} - a_n\)
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위 줄은 대응이고, 아래는 같은 대응을 점 \((n, a_n)\)으로 찍은 그래프이다. 점 사이에는 항이 없다.

  1. 질문\(1, 3, 5, 7, \cdots\)처럼 수를 차례로 늘어놓으면 '첫째', '둘째' 같은 순서가 생긴다. 순서가 있다는 것을 수학의 말로 하면 무엇일까?
  2. 복원함수 \(f : X \to Y\)는 X의 원소 하나하나에 Y의 원소를 오직 하나씩 대응시킨다. 그리고 정의역이 실수 전체인 일차함수의 그래프는 끊김 없는 직선이다.
  3. 설명차례로 늘어놓은 수의 열을 수열, 각 수를 항이라고 하고, 첫째항, 둘째항, \(\cdots, n\)번째 항을 \(a_1, a_2, \cdots, a_n\)으로 적는다. 번호 1에는 \(a_1\), 번호 2에는 \(a_2\)가 하나씩 정해지므로, 수열은 자연수 \(n\)에 수 \(a_n\)을 하나씩 대응시킨 함수이다. 이때 \(a_n\)을 \(n\)의 식으로 나타낸 것을 일반항이라 하고, 일반항이 \(a_n\)인 수열을 \(\{a_n\}\)으로 쓴다. 항이 끝없이 이어지면 무한수열, 끝이 있으면 유한수열이다.
  4. 연결정의역을 자연수로 줄였기 때문에 그래프가 점으로 끊어진다. 같은 식 \(2x - 1\)이라도 일차함수 \(y = 2x - 1\)의 그래프는 직선이고, 수열 \(a_n = 2n - 1\)의 그래프는 그 직선 위의 점들이다. 다음 절의 등차수열은 일차함수를, 등비수열은 지수함수를 자연수에서만 본 것이다.
  5. 적용규칙을 바꾸며 \(n\)을 움직여 \((-1)^n\)이 어떤 값을 되풀이하는지, \(\frac{1}{n}\)이 \(n\)이 커질수록 어디에 가까워지는지 보자. 소수의 수열처럼 간단한 식이 없어도 수열인지 생각해 보고, '점 사이를 선으로 이어 보기'를 켜서 선 위의 점이 수열의 항인지도 따져 보자.
  6. 판단수열의 그래프를 곡선으로 이어 그리고 그 위의 모든 점을 항으로 여기면 안 된다. 2.5번째 항 같은 것은 없기 때문이다. 또 일반항이 식으로 주어져야만 수열인 것도 아니다. 각 번호에 값이 하나씩 정해지면 수열이고, 같은 값이 여러 번 나와도(예를 들어 \(-1, 1, -1, 1, \cdots\)) 된다.

확인조건이 달라지면

일반항이 \(a_n = n^2 - 5n\)인 수열에서 값이 음수인 항은 모두 몇 개인가?

탐구 2

1, 2, 4, 8 다음은 꼭 16일까?

수열의 뜻 · 규칙과 일반항

주어진 네 항 끌어서 정하는 다섯째 항 이 규칙의 여섯째 항 \(2^{n-1}\)

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이 규칙의 \(a_6\)
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이 규칙의 \(a_7\)
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\(2^{n-1}\)의 \(a_6\)
32

곡선은 다섯 점을 모두 지나는 사차 이하의 다항식이다. 다섯째 점을 위아래로 끌거나 슬라이더를 움직여 보자.

  1. 질문\(1, 2, 4, 8, \cdots\)의 다음 항을 물으면 대부분 16이라고 답한다. 처음 네 항만 보고 다섯째 항을 정할 수 있을까?
  2. 복원수열은 자연수 \(n\)에 값 \(a_n\)을 하나씩 대응시킨 것이다. 대응을 정하는 것은 일반항이나 규칙이고, 처음 몇 항은 그 규칙을 짐작하게 하는 단서일 뿐이다.
  3. 설명\(a_n = 2^{n-1}\)도, \(a_n = \frac{n^3 - 3n^2 + 8n}{6}\)도 처음 네 항은 1, 2, 4, 8이다. 그런데 뒤의 규칙은 \(a_5 = 15\)이다. 또 \((n - 1)(n - 2)(n - 3)(n - 4)\)는 \(n = 1, 2, 3, 4\)에서 0이므로, 이것의 몇 배를 더해도 처음 네 항은 그대로이다. 따라서 다섯째 항은 어떤 값이든 될 수 있다. 수열을 정하려면 처음 몇 항이 아니라 일반항이나 규칙을 주어야 한다.
  4. 연결\(1, 2, 4, 8, 15, 26, \cdots\)은 케이크를 칼로 \(n - 1\)번 잘라 얻을 수 있는 가장 많은 조각 수이다. 원 위에 점 \(n\)개를 찍어 모두 이을 때 원이 나뉘는 가장 많은 조각 수는 \(1, 2, 4, 8, 16, 31, \cdots\)인데, 이 수열은 다섯째 항까지 \(2^{n-1}\)과 같다가 여섯째 항에서 갈라진다. 두 수열 모두 실제로 셀 수 있는 대상에서 나왔다.
  5. 적용다섯째 점을 끌어 처음 네 점은 그대로인데 곡선과 여섯째 항이 어떻게 바뀌는지 보자. \(a_5 = 16\)으로 맞추면 다섯 항이 \(2^{n-1}\)과 모두 같아지는데, 그때 이 규칙의 여섯째 항이 32인지도 확인해 보자.
  6. 판단'처음 몇 항이 맞으니 이 규칙이 맞다'는 증명이 아니다. 다섯 항이 같아도 여섯째 항에서 다를 수 있기 때문이다. 문제에서 '규칙을 찾으라'고 하면 가장 자연스러운 규칙을 짐작하라는 뜻이고, 그 규칙이 모든 \(n\)에서 맞는지는 따로 보여야 한다. 이 문제의식은 수학적 귀납법으로 이어진다.

확인조건이 달라지면

일반항이 \(a_n = 2n + (n - 1)(n - 2)(n - 3)\)인 수열의 처음 세 항은 2, 4, 6이다. 이 수열의 넷째 항 \(a_4\)는?

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