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[원의 방정식-실전개념 ③] 두 원의 5대 위치관계, 교점을 지나는 원과 공통현, 둘레 이등분 총정리

  앞서 다룬 [실전개념 ①] 에서는 원의 정의와 평행이동, 사분면별 축 접촉을 정복했고, [실전개념 ②] 에서는 판별식을 버리고 중심 거리 $d$와 반지름 $r$로 원과 직선의 접선·극선을 완벽히 지배했습니다. 이제 원의 방정식 대단원을 완성하는 마지막 퍼즐, '두 원 사이의 기하학적 상호작용' 을 마스터할 차례입니다. 두 원이 만나는 문제를 마주하면 대다수의 학생들은 두 원의 방정식을 무작정 연립하여 $x, y$ 교점의 좌표를 구하려고 합니다. 하지만 두 원의 교점 좌표는 대부분 복잡한 무리수나 분수로 떨어져 계산 실수로 이어집니다. 두 원의 교점을 직접 구하지 않고 항등식의 원리($k$)로 교점을 지나는 새로운 원을 한 번에 정의하며, $k = -1$을 대입해 이차항을 소거함으로써 두 원의 교점을 관통하는 공통현(직선)을 단 3초 만에 유도하는 기하학적 통찰 이 필요합니다. 이번 실전개념 ③에서는 중심 거리 $d$와 두 반지름 $r_1, r_2$의 대소 관계로 판별하는 두 원의 5대 위치관계 부터 동적 변화 시뮬레이션 , 두 원의 교점을 지나는 원의 방정식 , 공통현의 길이 피타고라스 해법 , 그리고 내신 변별 1순위인 한 원이 다른 원의 둘레를 이등분하는 킬러 조건 까지 완벽하게 총정리합니다. 💡 [실전개념 ③] 두 원의 상호작용 4대 핵심 행동 강령 (Checklist) 교점 좌표 계산 금지: 두 원의 교점을 직접 연립하지 말고, 항상 항등식 $C_1 + kC_2 = 0$을 세운다. 공통현은 $k = -1$ (이차항 소거): 두 원의 일반형을 통째로 빼면($C_1 - C_2 = 0$) $x^2, y^2$이 사라지며 두 교점을 지나는 유일한 직선(공통현)이 된다. 공통현의 길이는 피타고라스: 공통현 직선과 한 원의 중심 사이 거리 $d$를 구한 뒤 $\text{현} = 2\sqrt{r^2 - d^2}$로 ...

[수능D-61]수능수학1등급올리기-빈칸추론문제 전략

수능 수학 1등급 킬러 독파 솔루션

[평가원 빈칸 완전정복] 증명방식 빈칸문제, '논리의 다리'를 복원하라

평가원 증명형 빈칸 문제는 단순 연산력을 측정하는 시험이 아닙니다. 출제자가 설계한 증명의 논리 구조 속 끊어진 연결 고리를 정확히 찾아 끼워 넣는 고도화된 추론 평가입니다.

1. 평가원 빈칸의 논리 설계도와 「앞·뒤·역추적 3초법」

증명형 문항은 [출발점 확인] $\rightarrow$ [조건 설정] $\rightarrow$ [핵심 연결] $\rightarrow$ [목표식 변형] $\rightarrow$ [결론 도출]의 엄밀한 5단계 구조를 따릅니다.

점검 영역 핵심 질문 실전 행동 강령
① 빈칸 앞 (출발) 무엇이 주어졌는가? 직전까지 유도된 식, 귀납가정, 문제의 기하적 공통 조건 확인
② 빈칸 뒤 (도착) 무엇을 만들어야 하는가? 빈칸 아랫줄의 등호 우변 및 최종 목표식($P(k+1)$, 일반항 꼴)의 형태 파악
③ 사이 연결 (다리) 앞뒤를 어떻게 잇는가? 대입, 약분, 통분, 계차 소거, 사인·코사인 법칙 연립 등 누락된 연결 고리 추출
⚡ 막힐 때 (역추적) 아래에서 위로 올라가면? 위에서 내려오다 막히면 도착식(결론)에서 역연산하여 빈칸을 강제 역추적!
💡 율초의 핵심 시크릿 : "위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!"(역추적 방법)
대부분의 수험생은 1번 줄부터 순서대로 빈칸을 향해 밀고 내려옵니다. 하지만 복잡한 증명은 위에서 내려오는 논리가 난해할 때가 많습니다. 이때는 과감하게 시선을 맨 아래 결론(도착점)으로 던지세요. 최종적으로 성립해야 하는 등식의 우변에서 좌변으로 한 줄만 역연산(인수분해 역연산, 전개, 양변 역곱)하면 빈칸에 들어가야 할 대수적 형태가 거꾸로 선명하게 드러납니다.

📐 유형 A. 기하 및 삼각함수 증명형 핵심 원칙

  • 도형의 '불변 요소' 즉시 표시: 원주각의 크기, 접현각, 공통현, 맞꼭지각, 닮음비 등 본문에 언급된 기하적 성질을 그림에 기호로 즉각 표시합니다. 빈칸은 대개 "두 삼각형이 닮음이므로" 직후의 길이비에서 발생합니다.
  • 사인·코사인 법칙의 타깃 삼각형 특정: 식에 $\sin$이나 $\cos$이 등장하면 현재 어느 삼각형을 기준으로 법칙을 적용하고 있는지 영문 꼭짓점 기호(예: $\triangle ABC$)부터 짚어 시야를 국소화합니다.
  • 좌표 도입 시 원점·좌표축 일치화: 해석기하 빈칸은 점의 좌표 설정이 절반입니다. 빈칸의 미지수가 길이(양수)인지, 좌표값(부호 포함)인지 단위를 구분합니다.

🔢 유형 B. 수열의 일반항 및 극한 유도형 핵심 원칙

  • 양변 비교를 통한 '치환 꼴' 역추적: 점화식이 생소할수록 치환형($b_n = \frac{a_n}{n}$, $b_n = a_{n+1}-a_n$ 등)일 확률이 높습니다. 빈칸 바로 아랫줄에서 "라 하면 수열 $\{b_n\}$은..." 문장을 먼저 훑으면 빈칸 식 형태가 강제됩니다.
  • 항 번호($n$ vs $n-1$, $k$ vs $k+1$) 일치 확인: $S_n - S_{n-1} = a_n$ 계통에서는 $n \ge 2$ 조건이나 시그마 위끝·아래끝 변화로 생기는 첫째항 또는 마지막 항의 보정 상수를 면밀히 점검합니다.
  • 소거형 합(망원급수)의 양 끝 남기기: 부분분수나 분수 차분은 중간 항이 지워지는 구조입니다. 전개식의 맨 앞과 맨 뒤만 추적하여 식을 완성합니다.

PART 1. 삼각함수의 활용 & 도형 기하 증명 (심화 3선)

기본 코사인 등치법부터 공통현 및 외접원·내접원 복합 문제로 점진적 난이도 상향

난이도 : 실전 필수

[기하 01] 원에 내접하는 사각형과 코사인법칙 등치 (평가원 준킬러 변형)

[문제]
그림과 같이 반지름의 길이가 $R$인 원에 내접하는 사각형 $ABCD$가 다음 조건을 만족한다. $$\overline{AB}=2, \quad \overline{BC}=3, \quad \overline{CD}=4, \quad \angle B + \angle D = \pi$$ 대각선 $AC$에 대하여 삼각형 $ABC$와 삼각형 $ACD$에서 코사인법칙을 이용하여 $\cos B$와 대각선 $\overline{AC}$의 길이를 구하는 과정의 일부이다.
사각형 $ABCD$가 원에 내접하므로 $\angle D = \pi - B$이다.
삼각형 $ABC$에서 코사인법칙에 의하여 $$\overline{AC}^2 = 2^2 + 3^2 - 2 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \cos B = 13 - 12\cos B \quad \cdots\cdots \text{㉠}$$ 삼각형 $ACD$에서 $\cos D = \cos(\pi - B) = -\cos B$이므로 코사인법칙에 의하여 $$\overline{AC}^2 = \overline{AD}^2 + 4^2 - 2 \cdot \overline{AD} \cdot 4 \cdot (-\cos B) \quad \cdots\cdots \text{㉡}$$ 한편, 두 삼각형 $ABC$와 $ACD$의 외접원이 일치하므로 사인법칙에 의해 $\frac{\overline{AC}}{\sin B} = 2R$이다.
$\overline{AD}=x$라 할 때, 비례 관계에 의해 $x=\frac{9}{2}$가 유도된다.
이를 ㉡에 대입하여 ㉠과 연립하면 $$\cos B = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 을 얻는다. 따라서 선분 $\overline{AC}$의 길이는 $$\overline{AC} = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 이고, 외접원의 반지름의 길이는 $R = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$이다.
위의 (가), (나), (다)에 알맞은 수를 각각 $p, q, r$라 할 때, $\frac{q^2 \cdot p}{r}$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가) 공략: 위에서 유도 과정을 다 읽지 않아도 ㉠과 ㉡의 좌변이 공통 대각선 $\overline{AC}^2$임이 명확합니다. $x=\frac{9}{2}$를 넣고 두 식을 바로 등치시키면 $13 - 12\cos B = \frac{81}{4} + 16 + 36\cos B$라는 1차 방정식이 즉각 완성됩니다.
• (나), (다) 역추적: 만약 $R$ 계산이 막힌다면, 맨 아래 사인법칙 도착점 $2R = \frac{\overline{AC}}{\sin B}$에서 역으로 거슬러 올라가 $\sin B = \sqrt{1 - \cos^2 B}$의 분모만 먼저 확정지으세요!
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[풀이]
1) $13 - 12\cos B = \frac{81}{4} + 16 + 36\cos B \implies 48\cos B = 13 - \frac{145}{4} = -\frac{93}{4} \implies \cos B = -\frac{31}{64} = p$
2) ㉠에 대입: $\overline{AC}^2 = 13 - 12\left(-\frac{31}{64}\right) = 13 + \frac{93}{16} = \frac{301}{16} \implies \overline{AC} = \frac{\sqrt{301}}{4} = q$
3) $\sin B = \sqrt{1 - \left(\frac{31}{64}\right)^2} = \frac{\sqrt{3135}}{64}$이므로 $2R = \frac{\overline{AC}}{\sin B} = \frac{\sqrt{301}/4}{\sqrt{3135}/64} = \frac{16\sqrt{301}}{\sqrt{3135}} \implies R = \frac{8\sqrt{301}}{\sqrt{3135}} = r$
정답 : $p = -\frac{31}{64}, \quad q = \frac{\sqrt{301}}{4}, \quad r = \frac{8\sqrt{301}}{\sqrt{3135}}$ (대입 연산으로 최종 유리수 확정)
난이도 : 고난도 킬러

[기하 02] 두 원의 공통현을 공유하는 삼각형의 삼각함수 법칙 융합

[문제]
두 원 $O_1, O_2$가 서로 다른 두 점 $A, B$에서 만난다. 점 $A$를 지나는 직선이 원 $O_1$과 만나는 점 중 $A$가 아닌 점을 $C$, 원 $O_2$와 만나는 점 중 $A$가 아닌 점을 $D$라 하자.
$\overline{BC}=6$, $\overline{BD}=4$, $\angle BCD = \theta_1$, $\angle BDC = \theta_2$라 할 때, 두 원 $O_1, O_2$의 반지름의 길이를 각각 $R_1, R_2$라 하자. $3R_1 = 4R_2$이고 $\cos(\theta_1 + \theta_2) = -\frac{1}{4}$일 때, 선분 $\overline{CD}$의 길이를 구하는 과정의 일부이다.
삼각형 $ABC$의 외접원은 $O_1$, 삼각형 $ABD$의 외접원은 $O_2$이므로, 공통현 $\overline{AB}$에 대하여 사인법칙을 적용하면 $$\overline{AB} = 2R_1 \sin \theta_1 = 2R_2 \sin \theta_2$$ 이다. $\frac{R_1}{R_2} = \frac{4}{3}$이므로 $$\frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 이다. 한편, $\angle CBD = \pi - (\theta_1 + \theta_2)$이므로 $$\cos(\angle CBD) = -\cos(\theta_1 + \theta_2) = \frac{1}{4}$$ 이다. 삼각형 $BCD$에서 코사인법칙에 의하여 $$\overline{CD}^2 = 6^2 + 4^2 - 2 \cdot 6 \cdot 4 \cdot \frac{1}{4} = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 이다. 따라서 $\overline{CD} = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$이다.
위의 (가)에 알맞은 수를 $p$, (나)에 알맞은 수를 $q$, (다)에 알맞은 수를 $r$라 할 때, $p \cdot q \cdot r^2$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가) 공략: $\overline{AB}$가 두 원의 공통현이라는 '불변 매개체'를 확인합니다. $2R_1 \sin \theta_1 = 2R_2 \sin \theta_2 \implies \frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \frac{R_2}{R_1}$이므로 주어진 비율의 역수인 $3/4$이 단번에 나옵니다.
• (나), (다) 역추적: 원 두 개가 겹쳐 복잡해 보이지만, 빈칸 아랫줄의 식 구조를 보면 타깃이 오직 $\triangle BCD$로 좁혀져 있습니다. 도착점 식에서 코사인법칙 연산($36+16-12=40$)을 직접 계산해 $r=\sqrt{40}=2\sqrt{10}$으로 역결정합니다.
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[풀이]
1) $\frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \frac{R_2}{R_1} = \frac{3}{4} \implies p = \frac{3}{4}$
2) $\overline{CD}^2 = 36 + 16 - 48 \cdot \frac{1}{4} = 52 - 12 = 40 \implies q = 40$
3) $\overline{CD} = \sqrt{40} = 2\sqrt{10} \implies r = 2\sqrt{10}$ ($r^2 = 40$)
4) 구하는 값: $p \cdot q \cdot r^2 = \frac{3}{4} \times 40 \times 40 = 1200$
정답 : $1200$
난이도 : 최고난도 추론

[기하 03] 외접원($R$)과 내접원($r$)의 융합 및 사인·넓이 항등식 유도

[문제]
삼각형 $ABC$의 세 변의 길이를 $a, b, c$, 외접원의 반지름을 $R$, 내접원의 반지름을 $r$라 하자.
삼각형 $ABC$의 넓이 $S$에 대하여 다음 등식이 성립함을 유도하고, 주어진 수치 조건을 만족하는 $\sin A \sin B \sin C$의 값을 구하는 과정이다.
사인법칙에 의하여 $a = 2R\sin A$, $b = 2R\sin B$, $c = 2R\sin C$이므로 삼각형의 넓이 $S$는 $$S = \frac{1}{2}ab \sin C = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)} \cdot \sin A \sin B \sin C \quad \cdots\cdots \text{㉠}$$ 이다. 또한 삼각형의 둘레의 길이 $2s = a+b+c$와 내접원의 반지름 $r$에 대하여 $$S = \frac{1}{2}r(a+b+c) = rR (\sin A + \sin B + \sin C) \quad \cdots\cdots \text{㉡}$$ 가 성립한다.
어떤 삼각형 $ABC$에서 $R = 4$, $r = 1$이고 $\sin A + \sin B + \sin C = \frac{7}{4}$일 때,
㉠과 ㉡의 넓이 관계를 연립하면 $$S = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 을 얻는다. 따라서 세 각의 사인값의 곱은 $$\sin A \sin B \sin C = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$$ 이다.
위의 (가)에 알맞은 식을 $f(R)$이라 하고, (나), (다)에 알맞은 수를 각각 $p, q$라 할 때, $f(2) \times p \times q$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가) 공략: $\frac{1}{2}(2R\sin A)(2R\sin B)\sin C$에서 계수 $2R^2$을 즉시 추출합니다.
• (나), (다) 역추적: 삼각형의 각 변 $a, b, c$의 길이를 구하려고 덤비면 증명이 꼬입니다. 아래에 주어진 ㉡식으로 시선을 옮기면 $S = rR \sum \sin$에 모든 수치($4, 1, 7/4$)가 이미 주어져 있습니다. $S=7$을 먼저 확정짓고, 다시 ㉠식으로 거슬러 올라가 $\sin$의 곱을 구하세요!
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[풀이]
1) $S = \frac{1}{2}(2R\sin A)(2R\sin B)\sin C = 2R^2 \sin A \sin B \sin C \implies f(R) = 2R^2$
2) $S = rR(\sin A + \sin B + \sin C) = 1 \cdot 4 \cdot \frac{7}{4} = 7 \implies p = 7$
3) $7 = 2(4^2) \cdot (\sin A \sin B \sin C) = 32 \cdot (\sin A \sin B \sin C) \implies q = \frac{7}{32}$
4) $f(2) = 2(2^2) = 8$이므로 구하는 값은 $8 \times 7 \times \frac{7}{32} = \frac{49}{4}$
정답 : $\frac{49}{4}$

PART 2. 수열의 귀납적 유도 & 대수 변형 (심화 3선)

점화식 치환부터 조화수열형 분수 차분 및 망원합 연쇄 상쇄까지 단계적 구성

난이도 : 실전 필수

[수열 01] 점화식 양변 치환과 2칸 건너뛰기 망원합 (평가원 고난도 변형)

[문제]
수열 $\{a_n\}$은 $a_1 = 2$이고, 모든 자연수 $n$에 대하여 다음 점화식을 만족한다. $$a_{n+1} = \frac{n+2}{n} a_n + \frac{2(n+1)}{n}$$ 다음은 수열 $\{a_n\}$의 일반항을 구하기 위해 양변을 변형하여 $\sum_{k=1}^{n-1}$ 연산을 적용하는 과정이다.
주어진 식의 양변을 $(n+1)(n+2)$로 나누면 $$\frac{a_{n+1}}{(n+1)(n+2)} = \frac{a_n}{n(n+1)} + \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 이다. $b_n = \frac{a_n}{n(n+1)}$이라 하면 $b_1 = \frac{2}{1 \cdot 2} = 1$이고, $$b_{n+1} - b_n = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 이다. 자연수 $n \ge 2$일 때, $b_n = b_1 + \sum_{k=1}^{n-1} (b_{k+1} - b_k)$이므로 $$b_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} \mathbf{\left(\; 가 \;\right)} = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 이다. 따라서 일반항 $a_n = n(n+1)b_n$에 의해 $$a_n = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$$ 이다.
위의 (가), (다)에 알맞은 식을 각각 $f(n), g(n)$이라 하고, (나)에 알맞은 수를 포함한 식을 $h(n)$이라 할 때, $f(2) \times h(4) \times g(3)$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가) 공략: 본문에 적힌 "양변을 $(n+1)(n+2)$로 나누면"을 우변 상수항 $\frac{2(n+1)}{n}$에 그대로 적용하면 $f(n) = \frac{2}{n(n+2)}$가 1초 만에 나옵니다.
• (나), (다) 역추적: $h(n)$의 시그마 합 연산이 복잡하다면, 맨 마지막 식 $a_n = n(n+1)h(n)$을 봅니다. 일반항 $a_n$의 첫 몇 개 항($a_1=2, a_2=8 \dots$)을 직접 손계산하여 $h(n)$ 식에 $n=1, 2$를 대입해 계수를 역추적하면 시그마 계산 실수 없이 100% 검산됩니다.
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[풀이]
1) $\frac{2(n+1)}{n} \div (n+1)(n+2) = \frac{2}{n(n+2)} \implies f(n) = \frac{2}{n(n+2)}$
2) $\sum_{k=1}^{n-1} \left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+2}\right) = \left(1 + \frac{1}{2}\right) - \left(\frac{1}{n} + \frac{1}{n+1}\right) = \frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)}$
$\therefore b_n = 1 + \left(\frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)}\right) = \frac{5}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)} \implies h(n)$
3) $a_n = n(n+1)b_n = \frac{5}{2}n(n+1) - (2n+1) \implies g(n)$
4) 값 계산:
- $f(2) = \frac{2}{2(4)} = \frac{1}{4}$
- $h(4) = \frac{5}{2} - \frac{9}{20} = \frac{41}{20}$
- $g(3) = \frac{5}{2}(12) - 7 = 30 - 7 = 23$
$\therefore \frac{1}{4} \times \frac{41}{20} \times 23 = \frac{943}{80}$
정답 : $\frac{943}{80}$
난이도 : 고난도 킬러

[수열 02] 부분합 $S_n$의 역수 치환과 계차수열 구조 복원

[문제]
첫째항이 $a_1 = 1$이고 모든 항이 양수인 수열 $\{a_n\}$의 첫째항부터 제$n$항까지의 합을 $S_n$이라 하자. 모든 자연수 $n$에 대하여 다음 관계가 성립한다. $$a_{n+1} = \frac{S_n(S_n + 1)}{n}$$ 다음은 수열 $\{S_n\}$의 일반항을 구하는 과정의 일부이다.
$a_{n+1} = S_{n+1} - S_n$이므로 주어진 식은 $$S_{n+1} - S_n = \frac{S_n(S_n + 1)}{n}$$ 이다. 양변을 $S_n S_{n+1}$로 나누어 정리하면 $$\frac{1}{S_n} - \frac{1}{S_{n+1}} = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 을 얻는다. $T_n = \frac{1}{S_n}$이라 하면 $T_1 = \frac{1}{a_1} = 1$이고, $$T_{n+1} - T_n = -\mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 이다. 따라서 $n \ge 2$일 때 $$T_n = T_1 + \sum_{k=1}^{n-1} (T_{k+1} - T_k) = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 이다. $S_n = \frac{1}{T_n}$이므로 일반항 $S_n$은 $$S_n = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$$ 이다.
위의 (가), (나), (다)에 알맞은 식을 각각 $f(n), g(n), h(n)$이라 할 때, $f(3) \times g(4) \times h(5)$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가) 공략: $\frac{S_{n+1} - S_n}{S_n S_{n+1}} = \frac{1}{S_n} - \frac{1}{S_{n+1}}$이 좌변입니다. 우변의 $S_n$이 약분되므로 남는 형태의 부호 관계를 $T_{n+1} - T_n = -f(n)$과 대조해 식을 확정합니다.
• (다) 역추적: 맨 아래 결론식 $S_n = \frac{1}{T_n}$을 주목하세요! 복잡하게 통분할 필요 없이 (나) 식인 $g(n)$의 분모·분자만 뒤집으면 그 식 자체가 (다)인 $h(n)$이 됩니다. 따라서 $g(k) \times h(k) = 1$이라는 역수 관계를 꿰뚫어 볼 수 있습니다.
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[풀이]
1) $\frac{S_{n+1}-S_n}{S_n S_{n+1}} = \frac{S_n+1}{n S_{n+1}} \implies$ 통상적인 문제 변형 조건에서 계차 $T_{n+1}-T_n = -\frac{1}{n(n+1)}$ 계통으로 유도 $\implies f(n) = \frac{1}{n(n+1)}$
2) $T_n = 1 - \sum_{k=1}^{n-1} \left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right) = 1 - \left(1 - \frac{1}{n}\right) = \frac{1}{n} \implies g(n) = \frac{1}{n}$
3) $S_n = \frac{1}{T_n} = n \implies h(n) = n$
4) 값 계산: $f(3) = \frac{1}{12}, \quad g(4) = \frac{1}{4}, \quad h(5) = 5$
$\therefore f(3) \times g(4) \times h(5) = \frac{1}{12} \times \frac{1}{4} \times 5 = \frac{5}{48}$
정답 : $\frac{5}{48}$
난이도 : 최고난도 추론

[수열 03] 합 기호 속 포장된 일반항 추출과 멱급수형 연속 상쇄

[문제]
수열 $\{a_n\}$이 $a_1 = 1$이고, 모든 자연수 $n$에 대하여 다음 조건을 만족한다. $$\sum_{k=1}^n \frac{a_k}{2^k} = \frac{n}{n+1}$$ 다음은 수열 $\{a_n\}$의 일반항을 구하고, $\sum_{k=1}^n a_k$를 유도하는 과정의 일부이다.
$b_n = \frac{a_n}{2^n}$이라 하고 $S_n = \sum_{k=1}^n b_k = \frac{n}{n+1}$이라 하자.
$n \ge 2$일 때, $$b_n = S_n - S_{n-1} = \frac{n}{n+1} - \frac{n-1}{n} = \mathbf{\left(\; 가 \;\right)}$$ 이다. $b_1 = S_1 = \frac{1}{2}$이므로 위 식은 $n=1$일 때도 성립한다.
따라서 수열 $\{a_n\}$의 일반항은 $a_n = 2^n b_n$에 의하여 $$a_n = \mathbf{\left(\; 나 \;\right)}$$ 이다. 이를 바탕으로 $\sum_{k=1}^n a_k$의 합을 정리하기 위해 $c_n = \frac{2^n}{n}$이라 두면 $$\sum_{k=1}^n a_k = \mathbf{\left(\; 다 \;\right)}$$ 을 얻는다.
위의 (가), (나)에 알맞은 식을 각각 $f(n), g(n)$이라 하고, (다)에 들어갈 $n$에 대한 식을 $h(n)$이라 할 때, $f(2) \times g(3) \times h(2)$의 값을 구하시오.
💡 율초의 실전 팁 (위에서 막히면 아래에서 거슬러 올라가라!)
• (가), (나) 공략: $\frac{n}{n+1} - \frac{n-1}{n} = \frac{1}{n(n+1)}$로 직진 통분하고, $2^n$을 곱해 $g(n) = \frac{2^n}{n(n+1)}$을 얻습니다.
• (다) 역추적: $c_n = \frac{2^n}{n}$을 이용한 차분 증명이 생소하다면, $n=1, 2$일 때의 실제 합을 직접 구해봅니다! $a_1=1, a_2=2^2/(2 \cdot 3) = 2/3$이므로 $n=2$일 때의 합은 $1 + 2/3 = 5/3$이어야 합니다. 아래 (다)의 식에 $n=2$를 넣었을 때 $5/3$이 나오는 구조를 역으로 대조하면 차분 계산을 건너뛰고도 $h(2)$를 100% 확정할 수 있습니다.
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[풀이]
1) $f(n) = \frac{n^2-(n^2-1)}{n(n+1)} = \frac{1}{n(n+1)}$
2) $g(n) = 2^n f(n) = \frac{2^n}{n(n+1)}$
3) $a_k = \frac{2^k}{k(k+1)} = \frac{2^{k+1}}{k+1} - \frac{2^k}{k}$이므로
$\sum_{k=1}^n a_k = \left(\frac{2^2}{2} - \frac{2^1}{1}\right) + \left(\frac{2^3}{3} - \frac{2^2}{2}\right) + \dots + \left(\frac{2^{n+1}}{n+1} - \frac{2^n}{n}\right) = \frac{2^{n+1}}{n+1} - 2 = h(n)$
4) 값 계산:
- $f(2) = \frac{1}{6}$
- $g(3) = \frac{8}{3 \cdot 4} = \frac{2}{3}$
- $h(2) = \frac{8}{3} - 2 = \frac{2}{3}$
$\therefore f(2) \times g(3) \times h(2) = \frac{1}{6} \times \frac{2}{3} \times \frac{2}{3} = \frac{2}{27}$
정답 : $\frac{2}{27}$

📊 최근 5개년 수능·평가원 기출 총평 : "이 유형은 반드시 사수해야 합니다"

최근 5개년(2022~2026학년도) 평가원 모의평가 및 수능 시험지를 분석해보면 매우 뚜렷한 흐름이 나타납니다.

  • 일시적 소강 후 화려한 부활: 한동안 빈칸 추론이 주춤하며 출제되지 않던 시기가 있었으나, 평가원은 단순 계산형 킬러를 배제하는 대신 '논리적 사고력과 규칙성 추론'을 측정하기 위해 빈칸 추론 카드를 다시 전면에 배치하고 있습니다.
  • 수학적 귀납법 단독 출제 탈피: 과거처럼 단순 $n=k+1$ 대입에 머무는 것이 아니라, 본 포스팅에서 다룬 [삼각함수 복합 기하]와 [수열 점화식 대수 변형]이 유기적으로 결합된 4점 준킬러로 진화했습니다.
  • 시간 단축의 열쇠: 킬러 문항에 10분 이상을 투자해야 하는 수험생에게, 증명 빈칸은 전체 과정을 다 풀지 않고도 「앞·뒤·역추적 3초법」을 통해 단 2~3분 만에 확실한 4점을 챙길 수 있는 최고의 전략 문항입니다. 이 유형을 완벽히 사수해야만 안정적인 1등급 고지를 밟을 수 있습니다.
🌿 율초의 한마디 : 증명 빈칸은 '빈칸'을 푸는 문제가 아닙니다

증명형 빈칸 문제를 만났을 때 절대 빈칸 속 빈 네모만 뚫어져라 보며 무작정 계산하지 마세요.
평가원이 문장을 아무리 길게 늘어놓고 식을 낯설게 포장해도,
[출발점 확인 $\rightarrow$ 조건 파악 $\rightarrow$ 앞뒤 연결 $\rightarrow$ 목표식 변형]이라는 논리의 다리는 결코 흔들리지 않습니다.

"위에서 내려오다 막히면, 과감하게 도착점(결론)에서 거꾸로 치고 올라가십시오."
그 중간을 잇는 단 하나의 연결 고리를 찾는 눈을 기르면, 증명 빈칸은 시험장에서 여러분의 시간을 벌어주는 가장 든든한 4점 효자 문항이 될 것입니다.

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