본동 고2수학과외







보기의 공식부터 점검하기
어떤 학생이 다음 보기에서 잘못된 식을 골랐다.
첫항이 \(a\), 공비가 \(r\), 항의 개수가 \(n\)인 등비수열의 합을 \(S_n\)이라 하자. 단, \(r\ne1\)이다.
- ① \(S_n=a+ar+ar^2+\cdots+ar^{n-1}\)
- ② \(S_n=\dfrac{a(1-r^n)}{1-r}\)
- ③ \(S_n=\dfrac{a(r^n-1)}{r-1}\)
- ④ \(S_n=\dfrac{a(1+r^n)}{1+r}\)
④는 일반적인 등비합 공식이 아니다. 특히 \(r=-1\)인 경우에는 분모가 0이 되어 사용할 수도 없다.
공식의 구조를 직접 만들기
등비수열의 합은
\[ S_n=a+ar+ar^2+\cdots+ar^{n-1} \]
양변에 \(r\)을 곱하면
\[ rS_n=ar+ar^2+\cdots+ar^{n-1}+ar^n \]
두 식을 빼면 중간항이 소거되어
\[ S_n-rS_n=a-ar^n \]
따라서
\[ (1-r)S_n=a(1-r^n) \]
이고, \(r\ne1\)이므로
\[ \boxed{S_n=\frac{a(1-r^n)}{1-r}} \]
부호를 뒤집어도 같은 식인가?
분자와 분모를 동시에 \(-1\)배하면
\[ \frac{a(1-r^n)}{1-r} =\frac{a(r^n-1)}{r-1} \]
이므로 ②와 ③은 같은 공식이다. 핵심은 분자와 분모의 방향을 함께 바꾸어야 한다는 점이다. 분자만 또는 분모만 바꾸면 원래 값과 달라진다.
작은 항 수로 최종 확인하기
\(a=2\), \(r=3\), \(n=3\)인 경우 실제 합은
\[ 2+6+18=26 \]
공식에 대입하면
\[ \frac{2(1-3^3)}{1-3} =\frac{2(-26)}{-2} =26 \]
반면 분자와 분모의 방향을 한쪽만 바꾼
\[ \frac{2(3^3-1)}{1-3}=-26 \]
은 합이 될 수 없다. 따라서 문제를 풀 때는 먼저 \(a\), \(r\), \(n\)을 표시하고, 공식의 분자와 분모가 같은 방향으로 구성되었는지 확인해야 한다.