AMC 10 · 2024 · #23
쉬운 모드 학년 5피보나치 수열은 F1=1, F2=1 로 시작해요. 그 다음부터는 바로 앞 두 수를 더한 값이 다음 수가 됩니다. 그러니까 F3=F2+F1, F4=F3+F2 이런 식이에요.
이제 분수 10개를 더해보려고 합니다. 각 분수는 FnF2n 모양이고, n 은 1부터 10까지예요.
이 합의 값은 얼마일까요?
F1F2+F2F4+F3F6+⋯+F10F20
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AMC 10 2024 problem © Mathematical Association of America (MAA AMC). Reproduced for educational use.
풀이는 먼저 직접 풀어본 뒤에 보는 게 가장 효과적이에요.
도구 + CCSS 풀이
이해
문제 재정리: 피보나치 수열은 $F_1 = 1, F_2 = 1, F_n = F_{n-1} + F_{n-2}$ ($n \ge 3$)로 정의됩니다. 합 $\dfrac{F_2}{F_1} + \dfrac{F_4}{F_2} + \dfrac{F_6}{F_3} + \dots + \dfrac{F_{20}}{F_{10}}$, 즉 $\sum_{n=1}^{10} \dfrac{F_{2n}}{F_n}$의 값을 구하세요.
주어진 것: $F_1 = F_2 = 1$; 점화식 $F_n = F_{n-1} + F_{n-2}$ ($n \ge 3$); 합은 $10$ 개 항: $n = 1, 2, \dots, 10$; 각 항 $a_n = F_{2n}/F_n$; 선택지: (A) $318$, (B) $319$, (C) $320$, (D) $321$, (E) $322$
구하는 것: 합 $S = a_1 + a_2 + \dots + a_{10}$
이해
문제 재정리: 피보나치 수열은 $F_1 = 1, F_2 = 1, F_n = F_{n-1} + F_{n-2}$ ($n \ge 3$)로 정의됩니다. 합 $\dfrac{F_2}{F_1} + \dfrac{F_4}{F_2} + \dfrac{F_6}{F_3} + \dots + \dfrac{F_{20}}{F_{10}}$, 즉 $\sum_{n=1}^{10} \dfrac{F_{2n}}{F_n}$의 값을 구하세요.
주어진 것: $F_1 = F_2 = 1$; 점화식 $F_n = F_{n-1} + F_{n-2}$ ($n \ge 3$); 합은 $10$ 개 항: $n = 1, 2, \dots, 10$; 각 항 $a_n = F_{2n}/F_n$; 선택지: (A) $318$, (B) $319$, (C) $320$, (D) $321$, (E) $322$
계획
주요 도구: #2 빠짐없이 나열하기
보조 도구: #5 패턴 찾기, #9 더 쉬운 문제로 줄이기
문제는 정의가 분명한 유한합 ($10$ 개 비율)입니다. 도구 #2(빠짐없이 나열하기)가 주축: $F_1, \dots, F_{20}$을 차례로 나열한 뒤 $10$ 개 비율을 나열. 도구 #9(더 쉬운 문제로 줄이기)는 시작점 — 처음 서너 항을 직접 계산해 보면 $1, 3, 4, 7, \dots$ 처럼 정수입니다. 도구 #5(패턴 찾기)가 이 정수들이 피보나치식 점화 ($a_n = a_{n-1} + a_{n-2}$, $1, 3$으로 시작)를 따른다는 사실을 알려 줘, 나머지는 큰 피보나치 수를 나누는 대신 덧셈만으로 확장합니다. 정수 $10$ 개를 손에 쥐면 답은 신중한 덧셈 한 번.
실행 — 정답: B
4.OA.C.5 단계 1 피보나치 수 20개 나열하기
- 피보나치 수 $F_1$부터 $F_{20}$까지 차례로 나열.
- 각 항은 앞 두 항의 합.
💡 4학년 "규칙에 따라 수 패턴 만들기" — $1, 1$ 에서 시작해 더해 가기.
5.NF.B.3 단계 2 처음 몇 개 비 계산하기
- 비율 $a_n = F_{2n}/F_n$ 의 처음 다섯 항을 직접 계산.
- $a_1 = F_2/F_1 = \frac{1}{1} = 1$, $a_2 = F_4/F_2 = \frac{3}{1} = 3$, $a_3 = F_6/F_3 = \frac{8}{2} = 4$, $a_4 = F_8/F_4 = \frac{21}{3} = 7$, $a_5 = F_{10}/F_5 = \frac{55}{5} = 11$.
- 결과: $1, 3, 4, 7, 11$.
💡 5학년 "분수 = 나눗셈" — $F_n$ 이 $F_{2n}$의 약수라 비율이 깔끔한 정수.
4.OA.C.5 단계 3 규칙 찾기
- 패턴을 포착.
- $4 = 1 + 3, \; 7 = 3 + 4, \; 11 = 4 + 7$.
- 수열 $a_n$ 은 피보나치와 같은 점화 — 시작이 $1, 3$ 일 뿐.
- (이름은 루카스 수이지만 이름 몰라도 덧셈 규칙으로 충분.) 검증: $a_6 = 7 + 11 = 18$ 이어야 하고, 실제 $F_{12}/F_6 = \frac{144}{8} = 18$.
- 패턴 확인 완료.
💡 4학년 수 패턴: 네다섯 항 계산 → 추측 → 한 항 더로 검증. "$4 = 1 + 3, 7 = 3 + 4$" 가 결정적 신호.
4.OA.C.5 단계 4 규칙으로 열 개까지 늘리기
- 덧셈으로 나머지 다섯 비율을 채웁니다.
- $a_6 = 7 + 11 = 18$, $a_7 = 11 + 18 = 29$, $a_8 = 18 + 29 = 47$, $a_9 = 29 + 47 = 76$, $a_{10} = 47 + 76 = 123$.
- (확인: $F_{20}/F_{10} = \frac{6765}{55} = 123$, 일치.)
💡 4학년 패턴 확장 덧셈 다섯 번이 큰 피보나치 나눗셈 다섯 번을 대체.
4.NBT.B.4 단계 5 열 개의 비 더하기
- $10$ 개 비율을 차근차근 합산.
- 작은 쪽부터 부분합: $1 + 3 = 4$, $4 + 4 = 8$, $8 + 7 = 15$, $15 + 11 = 26$, $26 + 18 = 44$, $44 + 29 = 73$, $73 + 47 = 120$, $120 + 76 = 196$, $196 + 123 = 319$.
- 따라서 $S = 319$.
💡 4학년 표준 덧셈 — 부분합이 안정적으로 자라가는지 확인하며 진행.
4.OA.C.5 피보나치 수 $F_1$부터 $F_{20}$까지 차례로 나열. 각 항은 앞 두 항의 합. 5.NF.B.3 비율 $a_n = F_{2n}/F_n$ 의 처음 다섯 항을 직접 계산. $a_1 = F_2/F_1 = \frac{1}{1} = 1$, $a_2 4.OA.C.5 패턴을 포착. $4 = 1 + 3, \; 7 = 3 + 4, \; 11 = 4 + 7$. 수열 $a_n$ 은 피보나치와 같은 점화 — 시작이 $ 4.OA.C.5 덧셈으로 나머지 다섯 비율을 채웁니다. $a_6 = 7 + 11 = 18$, $a_7 = 11 + 18 = 29$, $a_8 = 18 + 29 4.NBT.B.4 $10$ 개 비율을 차근차근 합산. 작은 쪽부터 부분합: $1 + 3 = 4$, $4 + 4 = 8$, $8 + 7 = 15$, $15 + 11 검토
합리성 확인: 두 가지 확인. (1) 크기 — 가장 큰 항 $a_{10} = 123$, 두 번째로 큰 $a_9 = 76$ 이므로 합은 적어도 $123 + 76 = 199$, 많아야 $10 \cdot 123 = 1230$. $319$ ($\approx 123 \cdot 2.6$)는 그 범위 안에 자연스럽게 들어옴. (2) 점화식 활용 — 루카스식 합에는 닫힌 형태 $a_1 + a_2 + \dots + a_{10} = a_{12} - 3$이 성립. 같은 점화로 $a_{11} = 76 + 123 = 199$, $a_{12} = 123 + 199 = 322$ → $322 - 3 = 319$. 무료 검증이 일치. 인접 오답 $318, 320, 321, 322$는 모두 "한두 칸 빗나간" 산수 함정인데 이 재유도로 모두 배제됩니다.
대안 접근: 도구 #14(점화식을 망원경합으로 활용). 항등식 $F_{2n} = F_n L_n$ ($L_n$ 은 루카스 수)과 $\sum_{n=1}^{N} L_n = L_{N+2} - 3$을 알고 있다면, 같은 $1, 3, 4, 7, \dots, 199, 322$ 목록에서 $L_{12} = 322$로 $S = 322 - 3 = 319$ 한 줄. 하지만 우리가 쓴 "나열-덧셈" 경로는 항등식을 외울 필요가 없습니다.
사용된 CCSS 표준 (최저 학년 5)
4.OA.C.5주어진 규칙을 따르는 수·도형 패턴을 만들고, 규칙에서 드러나지 않은 패턴 특징을 식별하기 (피보나치 규칙으로 $F_1, \dots, F_{20}$을 만들고, $a_n = F_{2n}/F_n$ 이 $1, 3$ 에서 시작하는 같은 덧셈 규칙을 따른다는 사실을 포착·확장.)5.NF.B.3분수를 분자÷분모로 해석하기; 자연수 나눗셈으로 분수·대분수 답이 나오는 문제 풀기 ($F_{2n}/F_n$ 을 그대로 나눗셈으로 보고 $a_1 = 1, a_2 = 3, a_3 = 4, a_4 = 7, a_5 = 11$ — 모두 정수.)4.NBT.B.4표준 알고리즘으로 여러 자리 수의 덧셈·뺄셈 능숙하게 하기 (비율 $10$ 개를 작은 부분합으로 차례로 더해 $1 + 3 + 4 + \dots + 123 = 319$.)
⭐ 겁나 보이는 피보나치 비율도 처음 몇 개를 직접 나눠 보면 $1, 3, 4, 7, 11$ — 그 다음은 그냥 덧셈으로 $123$까지 이어지고, $10$ 개 합 $319$. 5학년 나눗셈과 4학년 수 패턴 규칙만으로 충분.
⭐ 겁나 보이는 피보나치 비율도 처음 몇 개를 직접 나눠 보면 $1, 3, 4, 7, 11$ — 그 다음은 그냥 덧셈으로 $123$까지 이어지고, $10$ 개 합 $319$. 5학년 나눗셈과 4학년 수 패턴 규칙만으로 충분.
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