자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

수악중독

그림과 같이 자연수 $n$ 에 대하여 기울기가 $1$ 이고 $y$ 절편이 양수인 직선이 원 $x^2+y^2=\dfrac{n^2}{2}$ 에 접할 때, 이 직선이 $x$축, $y$축과 만나는 점을 각각 ${\rm A}_n, \; {\rm B}_n$ 이라 하자. 점 ${\rm A}_n$ 을 지나고 기울기가 $-2$ 인 직선이 $y$ 축과 만나는 점을 ${\rm C}_n$ 이라 할 때, 삼각형 ${\rm A}_n{\rm B}_n{\rm C}_n$ 과 그 내부의 점들 중 $x$ 좌표와 $y$ 좌표가 모두 정수인 점의 개수를 $a_n$ 이라 하자. $\sum \limits_{n=1}^{10} a_n$ 의 값을 구하시오. 

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

  • 최근글
  • 2023학년도 경찰대 수학영역 문제 및 답 2022.10.02 14:06

  • 2023학년도 사관학교 수학영역 문제 및 해설 2022.09.25 14:53

  • 2023학년도 대학수학능력시험 9월 모의평가 수학영역 ⋯ 2022.09.25 14:51

  • 2022년 3월 고3 전국연합학력평가 수학영역 문제 및⋯ 2022.08.08 16:21

  • 2023학년도 대학수학능력시험 6월 모의평가 수학영역 ⋯ 2022.07.26 18:03

  • 2022년 4월 고3 전국연합학력평가 수학영역 문제 및⋯ 2022.04.21 19:16

  • 2022학년도 사관학교 수학영역 문제 및 해설 2022.01.02 20:05

  • 2022학년도 경찰대 수학영역 문제 및 해설 2022.01.02 20:02

  • 2021년 11월 고2 전국연합학력평가 수학영역 문제 ⋯ 2021.12.31 17:58

  • 2021년 11월 고1 전국연합학력평가 수학영역 문제 ⋯ 2021.12.22 17:42

Q7. 을 직관적으로 이해하는 것이 가능한가요?

A7.

1. 항등식을 통한 증명이 이해하기는 더 쉬울 수 있는데, 다음에 하기로 했다.

2. 나무블록을 갖고 실험!

3. 나무블록에 세 가지 색으로 색칠을 하라고 하셨다.

4. 아래의 그림과 같은 모양으로 한 가지 색의 나무블록을 쌓았다.

5. 다른 한 가지 색의 나무블록으로 아래 그림과 같은 모양을 만들었다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

6. 남은 한 가지 색의 나무블록으로 아래 그림과 같은 모양을 만들었다.

7. 보는 관점을 바꿔서 보니, 아래 그림과 같은 모양이 나왔다.

8. 맨 위층의 나무토막의 반을 잘라서 허전한 부분에 갖다 붙이면 끝!

9. 고등학교 교육과정에 나오는 자연수의 거듭제곱의 합으로 나오는 세 가지는 전부 고등학교 수준의 기하 상식만 있어도 충분히 직관적으로 이해할 수 있는 것이기 때문에 교육과정에 있는 것이라고 하셨다.

10. 위의 과정을 계속 시뮬레이션을 그리며 상상하면 굳이 공식을 외우지 않아도 직관적으로 이해할 수 있다!

C. 의 값을 라고 할 때,

임을 알 수 있다. 식을 잘 정리하면 익숙한 식이 나온다.

<책 이미지>

[공지] '어쩌면' 가장 간단한 증명의 발견-"자연수의 세제곱의 합 공식"(ft.말이 필요없는 증명)

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong
2S진 쌤2022. 8. 27. 1:04

"자연수의 거듭제곱의 합 공식"을 유도하는 새로운 방법을 찾으면서,

"자연수의 세제곱의 합 공식"을 증명(유도)하는 것 역시 계속 연구했다.

8월 13일.

마침내 "자연수의 세제곱의 합 공식"을 증명하는 (어쩌면) 가장 간단한 방법을 발견하게 되었다.

그로부터 15일이 지난

"8월 27일 1시 04분"에

새롭게 발견한 증명 방법을 공개한다.

(공개 날짜와 시간에 대한 의미는 새로운 증명 소개 후 안내합니다.)

1. 말이 필요없는 증명

일단 "말이 필요없는 증명"에 나와 있는

8가지 증명(유도법)들 중 몇 가지를 살펴보자.

2번째와 3번째 증명은 결국에는 같은 증명 아이디어인 것 같다.

어쨌든 이 2가지 방법이 시각적으로 가장 잘 표현해 준 증명이라 생각한다.

그래서인지 검색하면 가장 많이 나오는 증명 그림이다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

6번째 증명을 살펴보자.

여기서는 한 가지 우리가 전에 살펴보았던 규칙성이 나오는데,

(n의 제곱)=1+2+...+(n-1)+n+(n-1)+...+2+1

이라는 것이다.

6번째 증명은 가장 깔끔하면서 이해하기 쉬운 증명방법인 것 같다.

그렇기에 만약 고등학교 교과서에 증명방법이 들어간다면, 6번째가 가장 좋지 않을까 생각한다.

7번째 증명 방법은 매우 독특한데,

연속된 홀수들의 합으로 자연수의 세제곱을 표현할 수 있다.

3+5=(2의3제곱), 7+9+11=(3의3제곱)

이런 규칙성을 가지고 있다는 것이 매우 신기했던 증명이다.

홀수의 합은 자연수의 거듭제곱이므로,

1부터 2n(n+1)/2-1 까지의 홀수의 합이 n(n+1)/2의 제곱임은 당연하다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

이 증명은 제목이 "자연수의 합과 자연수의 세제곱의 합"이다.

자연수의 세제곱의 합 8번째라고 봐도 무관할 듯하다.

자연수의 세제곱의 합을 도형으로 쌓아놓고,

하나의 직선으로 모든 것을 증명한 너무 멋진 방법이었다.

"이런 거는 어떻게 생각했을까?"라는 생각이 들었던 증명 방법.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

2. 외국에서의 증명들

내가 찾은 새로운 방법이 기존에 있는 것인지를 확인하는 과정에서 구글과 유튜브 검색을 해보았다.

구글에 "sum of cubes visual proof"를 검색하니 "말이 필요없는 증명"에 나온 방법들이 대부분인데,

다음 사이트에서는 꽤 다양한 괜찮은 방법들이 제시되어 있어 소개한다.

유튜브에서 찾은 특이한 방법도 하나 있어 소개한다.

자연수의 세제곱의 합으로 이루어진 3차원 입체도형을 적절히 옮겨,

우리가 원하는 자연수의 합의 제곱을 이끌어낸다.

저렇게 옮기는 게 신기할 뿐!!

3. 새로운 증명

다행히도 내가 찾은 증명방법은 검색 결과 나와 있지 않았다.

내가 못 찾았었을 수도 있겠지만,

이 증명이 존재했다면, 쉽게 검색이 되지 않았을까? 라고 생각한다.

그만큼 괜찮은 증명이기에...(오로지 주관적인 생각이지만 말이다.)

그러면 이제!!

어쩌면 "자연수의 세제곱의 합 공식"을 증명(유도)한 것들 중에

가장 간단할지도 모르는 증명을 소개한다.

우선 다음과 같이 반지름이 1, 1+2, 1+2+3, 1+2+3+4, ....

되는 원을 그린다.(단, 원의 중심은 같다)

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

그리고 각 원에 의해 나누어진 영역을 안쪽부터 파란색, 빨간색, 초록색, 노란색으로 색칠한 후

각 부분의 넓이를 구해보자.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

빨간색 도넛 모양의 넓이는 (반지름 (1+2)인 원)-(파란색 원) 이므로

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

초록색 도넛 모양의 넓이는 (반지름 (1+2+3)인 원)-(반지름 (1+2)인 원) 이므로

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

노란색 도넛 모양의 넓이는 (반지름 (1+2+3+4)인 원)-(반지름 (1+2+3)인 원) 이므로

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

각 도넛 모양의 넓이를 표시하면 다음과 같다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

가장 큰 원의 넓이는 두 가지로 구할 수 있는데,

(1) 반지름이 (1+2+3+4)인 원의 넓이

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

이를 그림을 이용하여 나타내면 다음과 같다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

원의 넓이 개념을 통해 위의 그림만으로 매우 직관적인 이해를 할 수 있다.

그래서 "어쩌면" 가장 간단한 증명일 수도 있다는 생각이 든다.

4. 추가적으로 필요한 수학적 사실

위의 증명에서 한 가지 집고 넘어가야 할 부분이 있다.

앞에서는 도넛 모양의 넓이가 "(자연수의 세제곱)파이"인 것을 직관적으로 이해하고 넘어갔다.

하지만 사실 엄밀히 따지면 수학적으로 모든 자연수에서 성립함을 보여야 한다.

그러려면 다음 등식이 참이어야 한다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

로 쓸 수 있고, 시그마를 이용해 나타내어 정리하면

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

이 성립한다.

이로써 n번째 도넛 모양의 넓이는

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

이로써 자연수의 세제곱의 합 공식을 유도하는 "어쩌면" 가장 간단한 증명이 모두 끝났다.

5. "8월 27일 1시 04분"에 공개한 이유

새로운 방법을 발견한 날은 8월 13일.

사실 빨리 블로그에 소개하고 싶은 마음이었다. 하지만 수학적으로 생각해 보니

8월 27일에 올려야 한다는 생각이 들어 참고 참으며 오늘을 기다렸다.

내가 8월 27일에 공개한 이유는

8은 2의 세제곱이고 27은 3의 세제곱이기 때문이다.

지금 다루고 있는 주제가 자연수의 세제곱의 합이다.

그래서 세제곱을 이루는 날짜에 공개하는 것이 수학적으로 의미가 있다고 생각했다.

그리고 시간 1시 04 세제곱의 의미가 있다.

1시간은 60분이므로 1시 04분을 분으로만 나타내면 64분.

64는 4의 세제곱이다.

따라서 "8월 27일 1시 04분"은 다음과 같이 자연수의 세제곱으로 표현할 수 있다.

자연수 제곱의 합 그림 증명 - jayeonsu jegob-ui hab geulim jeungmyeong

이것이 내가 8월 27일 1시 04분에 새로운 발견을 공개한 "수학적 이유"이다.