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강서구고3수학과외

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부분합과 수렴조건을 함께 확인하는 급수 풀이

강서구의 대일고등학교, 명덕여자고등학교, 공항고등학교 등에서 내신 수학을 준비하는 고3 학생들은 주간 일정과 학교별 학습 진도에 따라 급수 문제를 접하는 시점이 다를 수 있다. 이 사례의 학생은 무한등비급수의 합을 이용해 미지수 \(k\)를 구하면서도, 계산 중간의 조건을 지우는 습관 때문에 잘못된 값을 답으로 남겼다.

합 공식보다 먼저 확인해야 할 공비

학생이 푼 문제는 다음과 같다.

무한급수 \(k^2+k^3+k^4+\cdots\)의 합이 \(4\)일 때, 실수 \(k\)의 값을 구하여라.

첫째항은 \(k^2\), 공비는 \(k\)이므로 수렴하려면 반드시

\(|k|<1\)

이어야 한다. 이 조건에서 급수의 합은

\[ \frac{k^2}{1-k}=4 \]

가 된다. 양변에 \(1-k\)를 곱하면

\[ k^2=4-4k \]

\[ k^2+4k-4=0 \]

따라서

\[ k=-2\pm2\sqrt2 \]

이다.

학생의 오답과 틀린 단계

학생은 다음과 같이 풀이했다.

\[ \frac{k^2}{1-k}=4 \]

\[ k^2+4k-4=0 \]

\[ k=-2\pm2\sqrt2 \]

따라서 \(k=-2+2\sqrt2,\ -2-2\sqrt2\)

이 답은 수렴조건을 빠뜨린 오답이다. \(k=-2-2\sqrt2\)는 약 \(-4.828\)이므로 \(|k|>1\)이다. 이 값을 공비로 사용하면 항의 절댓값이 작아지지 않고 커지므로 무한급수 자체가 수렴하지 않는다. 따라서 식의 근이라고 해서 모두 급수의 합 조건을 만족하는 것은 아니다.

지운 중간식을 복원하며 검산하기

교사는 학생에게 풀이 전체를 다시 지우지 말고, 틀린 줄에 별표를 남기도록 했다.

  • 별표 1: 공비가 \(k\)이므로 \(|k|<1\)을 먼저 기록한다.
  • 별표 2: \(\frac{k^2}{1-k}=4\)에서 분모 \(1-k\)의 부호를 확인한다.
  • 별표 3: 이차방정식의 두 근을 구한 뒤 각각 수렴조건에 대입한다.

두 근을 조건으로 판별하면

\[ -2+2\sqrt2\approx0.828,\qquad -2-2\sqrt2\approx-4.828 \]

이므로 첫 번째 근만 \(|k|<1\)을 만족한다. 실제 대입도 확인할 수 있다.

\[ \frac{(-2+2\sqrt2)^2}{1-(-2+2\sqrt2)} =4 \]

반면 두 번째 근은 공비의 절댓값이 1보다 커서 항이 0으로 수렴하지 않는다. 따라서 정답은

\(k=-2+2\sqrt2\)

이다.

조건을 바꾼 독립 검증

같은 급수를 반복하지 않고, 첫째항과 합을 바꾼 문제로 확인했다.

무한급수 \(3k+3k^2+3k^3+\cdots\)의 합이 \(6\)일 때 \(k\)를 구하여라.

첫째항은 \(3k\), 공비는 \(k\)이므로 \(|k|<1\)이다. 합 조건은

\[ \frac{3k}{1-k}=6 \]

이므로

\[ 3k=6-6k,\qquad 9k=6,\qquad k=\frac23 \]

이다. \(\left|\frac23\right|<1\)이고

\[ \frac{3\cdot\frac23}{1-\frac23}=6 \]

이므로 계산과 수렴조건을 모두 만족한다. 이처럼 급수 문제에서는 방정식의 근을 구하는 것에서 끝내지 않고, 공비와 수렴범위를 확인한 뒤 합에 다시 대입해야 한다.

수업에서 달라진 모습

모르는 걸 말하는 힘

숙제 검사를 받을 때 예전에는 모르는 문제도 이해했다고 넘겼지만, 요즘은 막힌 부분을 먼저 보여주게 됐습니다. 강서구에서 수업을 받으며 맞힌 문제는 풀이를 다시 설명하고, 틀린 문제도 선생님과 차근차근 다시 살펴봅니다. 시험 전에는 새 진도보다 부족한 내용을 복습하고 할 일을 나눠 주셔서, 틀린 뒤에도 금방 다시 공부를 이어갑니다.

★★★★★

틀린 문제를 다시 보는 법

학교 행사로 공부 시간이 짧았던 날에도 선생님은 아이의 집중 상태를 세심하게 살펴주셨고, 강서구에서 돌아온 뒤 수업 이야기를 들어보니 분위기도 편안했다고 합니다. 설명을 들을 때만 이해하고 혼자 풀면 막히던 아이에게 복습 시간을 따로 정해 틀린 문제의 풀이를 다시 보게 했습니다. 시험 기간에는 그날 확인할 내용만 몇 가지로 줄여 스스로 이어가게 했고, 한 문제에 막혀도 수학을 포기하는 일이 조금씩 줄었습니다.

★★★★★

흔들리지 않는 시험 준비

시험이 끝난 뒤 다음 주 공부 계획을 세우는데, 아이가 예전처럼 한 과목에만 오래 매달리지 않아 의외였습니다. 강서구에서 수업을 받으며 선생님은 어려운 문제 사이에 풀 만한 문제를 섞고, 막힌 부분은 스스로 생각할 시간을 기다려 주셨습니다. 수업 전 준비와 이번 주 공부량도 자연스럽게 살펴주셔서, 아이가 끝나고 “오늘은 내가 해낸 것 같다”고 말하는 날이 늘었습니다.

★★★★★

천천히 이해한 뒤의 변화

강서구에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 아이는 자기 풀이를 설명하는 일을 부담스러워했습니다. 선생님은 진도를 서두르기보다 같은 실수가 나온 이유를 함께 살피고, 이해했는지 확인하며 편하게 대화해 주셨습니다. 복습을 미루던 날에도 다음 날 다시 이어 가는 모습이 늘어 공부를 대하는 태도가 한결 편해졌습니다.

★★★★☆

숙제를 챙기는 습관

강서구에서 수학 과외를 시작한 뒤, 아이가 학교에서 돌아와 가방을 내려놓으면 예전보다 빨리 숙제부터 챙기는 모습이 보였습니다. 시험 직전 주말 수업 후에는 틀린 문제를 그냥 표시해 두지 않고 다시 풀어 보며, 선생님이 아이 반응에 맞춰 설명을 바꿔 주셔서 부담 없이 복습하는 습관이 조금씩 생겼습니다.

★★★★★