수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

문제2 집합 S\displaystyle S는 1an\displaystyle \frac{1}{a_{n}}로 구성된 무한 집합으로서 an\displaystyle a_{n}은 0을 자리숫자로 가지지 않는 자연수이다. 예를 들면, 1271\displaystyle \frac{1}{271}은 S\displaystyle S의 원소이나 1305\displaystyle \frac{1}{305}은 S\displaystyle S의 원소가 아니다. 아래 물음에 답하시오. [20점]

(1) 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 10n\displaystyle 10^{n}에서 10n+1\displaystyle 10^{n+1} 사이에 있는 자연수 중에서 0을 자리숫자로 가지지 않는 자연수들의 개수를 구하시오.

(2) S의 모든 원소의 합 ∑1an∈S1an\displaystyle \sum_{\frac{1}{a_{n}}\in S}\frac{1}{a_{n}}의 수렴성에 대하여 논하시오.

(1) 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 10n\displaystyle 10^{n}에서 10n+1\displaystyle 10^{n+1} 사이에 있는 자연수들의 자리수는 (10n+1\displaystyle 10^{n+1}으로는 S의 원소를 만들 수 없으므로 제외하면) n+1\displaystyle n+1개다. 이들 중 0을 자리숫자로 가지지 않는 자연수의 자리수로 나타날 수 있는 자연수는 0을 제외한 1부터 9까지의 총 9개의 숫자만 가능하다. 그러므로 첫 번째 나타날 수 있는 모든 가능한 자리숫자들 9가지의 경우의 각각에 대하여 두 번째 나타날 수 있는 모든 가능한 자리숫자들 9가지의 경우가 있고, 이를 반복적으로 적용하면 총 9⋅9⋯9=9n+1\displaystyle 9\cdot9\cdots9=9^{n+1}을 얻게 된다.

(2) 1≤an≤10\displaystyle 1\le a_{n}\le10의 경우에 1an≤1\displaystyle \frac{1}{a_{n}}\le1이고, 10≤an≤100\displaystyle 10\le a_{n}\le100의 경우에 1an≤110\displaystyle \frac{1}{a_{n}}\le\frac{1}{10}이고,일반적으로, 10n≤ak≤10n+1\displaystyle 10^{n}\le a_{k}\le10^{n+1}의 경우에 1ak≤110n\displaystyle \frac{1}{a_{k}}\le\frac{1}{10^{n}}이다.

위의 사실과 (1)의 결과를 이용하여∑1an∈S, 1≤an≤101an≤1100⋅9,∑1an∈S, 10≤an≤1021an≤110⋅92, ⋯\displaystyle \begin{aligned} \sum_{\frac{1}{a_{n}}\in S,\ 1\le a_{n}\le10}\frac{1}{a_{n}} &\le \frac{1}{10^{0}}\cdot9, \\ \sum_{\frac{1}{a_{n}}\in S,\ 10\le a_{n}\le10^{2}}\frac{1}{a_{n}} &\le \frac{1}{10}\cdot9^{2},\ \cdots \end{aligned}등을 반복적으로 얻을 수 있다. 따라서,

∑1an∈S1an≤1100⋅9+1101⋅92+⋯+110n−1⋅9n+⋯=10∑n=1∞(910)n=10⋅9/101−9/10=90\displaystyle \sum_{\frac{1}{a_{n}}\in S}\frac{1}{a_{n}}\le\frac{1}{10^{0}}\cdot9+\frac{1}{10^{1}}\cdot9^{2}+\cdots+\frac{1}{10^{n-1}}\cdot9^{n}+\cdots=10\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{9}{10}\right)^{n}=10\cdot\frac{9/10}{1-9/10}=90이므로 주어진 급수는 수렴한다.

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