수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 수열 Sn\displaystyle S_{n}을 다음과 같이 정의할 때, 아래 물음에 답하시오. [40점]Sn=∫0π2sin⁡xcos⁡x(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n dx\displaystyle S_{n}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x\cos x}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n}}\,dx

(1) 다음 두 등식이 성립함을 보이시오.ddx(sin⁡2x−cos⁡2x)=4sin⁡xcos⁡x,sin⁡2xcos⁡2x=12(1−sin⁡4x−cos⁡4x)\displaystyle \frac{d}{dx}(\sin^{2}x-\cos^{2}x)=4\sin x\cos x,\quad\sin^{2}x\cos^{2}x=\frac{1}{2}(1-\sin^{4}x-\cos^{4}x)

(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여Sn+1=2n−12nSn+12n+2n\displaystyle S_{n+1}=\frac{2n-1}{2n}S_{n}+\frac{1}{2^{n+2}n}이 성립함을 보이시오.

(3) 모든 자연수 m\displaystyle m에 대해 수열 Am\displaystyle A_{m}을 Am=21×43×65×⋯×2m2m−1\displaystyle A_{m}=\frac{2}{1}\times\frac{4}{3}\times\frac{6}{5}\times\cdots\times\frac{2m}{2m-1}이라 정의한다. 모든 자연수 m\displaystyle m에 대해 부등식 2m+1≤Am≤2m\displaystyle \sqrt{2m+1}\le A_{m}\le2\sqrt{m}이 성립함을 보이시오.

(4) 임의의 실수 α\displaystyle \alpha에 대하여 α<12\displaystyle \alpha<\frac{1}{2}이면 극한값 lim⁡n→∞∑k=2nnαkAn(AkSk+1−Ak−1Sk)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}\sqrt{k}}{A_{n}}(A_{k}S_{k+1}-A_{k-1}S_{k})이 0\displaystyle 0임을 보이시오.

해설강의 준비중

(1) 다음 두 등식이 성립함을 보이시오.ddx(sin⁡2x−cos⁡2x)=4sin⁡xcos⁡x,sin⁡2xcos⁡2x=12(1−sin⁡4x−cos⁡4x)\displaystyle \frac{d}{dx}(\sin^{2}x-\cos^{2}x)=4\sin x\cos x,\quad\sin^{2}x\cos^{2}x=\frac{1}{2}(1-\sin^{4}x-\cos^{4}x)풀이: 삼각함수의 미분에 의해, ddxsin⁡x=cos⁡x\displaystyle \frac{d}{dx}\sin x=\cos x, ddxcos⁡x=−sin⁡x\displaystyle \frac{d}{dx}\cos x=-\sin x이다. 함수의 곱의 미분법에 의해, ddx(sin⁡2x−cos⁡2x)=4sin⁡xcos⁡x\displaystyle \frac{d}{dx}(\sin^{2}x-\cos^{2}x)=4\sin x\cos x이 성립한다. 한편, sin⁡2x+cos⁡2x=1\displaystyle \sin^{2}x+\cos^{2}x=1이므로,sin⁡2xcos⁡2x=12((sin⁡2x+cos⁡2x)2−sin⁡4x−cos⁡4x)=12(1−sin⁡4x−cos⁡4x)\displaystyle \begin{aligned}\sin^{2}x\cos^{2}x&=\frac{1}{2}((\sin^{2}x+\cos^{2}x)^{2}-\sin^{4}x-\cos^{4}x)\\&=\frac{1}{2}(1-\sin^{4}x-\cos^{4}x)\end{aligned}이다.

(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여Sn+1=2n−12nSn+12n+2n\displaystyle S_{n+1}=\frac{2n-1}{2n}S_{n}+\frac{1}{2^{n+2}n}이 성립함을 보이시오.풀이: 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 문항 (1)의 첫 번째 등식을 이용하여 부분적분법을 적용하면,Sn=14∫0π21(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n(sin⁡2x−cos⁡2x)′ dx=14[sin⁡2x−cos⁡2x(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n]0π2−(−2n)∫0π2sin⁡xcos⁡x(sin⁡2x−cos⁡2x)2(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n+1 dx=12n+1+2n∫0π2sin⁡xcos⁡x(sin⁡4x+cos⁡4x−2sin⁡2xcos⁡2x)(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n+1 dx\displaystyle \begin{aligned}S_{n}&=\frac{1}{4}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n}}(\sin^{2}x-\cos^{2}x)^{\prime}\,dx\\&=\frac{1}{4}\Biggl[\frac{\sin^{2}x-\cos^{2}x}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n}}\Biggr]_{0}^{\frac{\pi}{2}}-(-2n)\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x\cos x(\sin^{2}x-\cos^{2}x)^{2}}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n+1}}\,dx\\&=\frac{1}{2^{n+1}}+2n\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x\cos x(\sin^{4}x+\cos^{4}x-2\sin^{2}x\cos^{2}x)}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n+1}}\,dx\end{aligned}이다. 문항 (1)의 두 번째 등식을 대입하면,Sn=12n+1+2n∫0π2(sin⁡xcos⁡x(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n−sin⁡xcos⁡x(2sin⁡4x+2cos⁡4x)n+1)dx=12n+1+2nSn−2nSn+1\displaystyle \begin{aligned}S_{n}&=\frac{1}{2^{n+1}}+2n\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\left(\frac{\sin x\cos x}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n}}-\frac{\sin x\cos x}{(2\sin^{4}x+2\cos^{4}x)^{n+1}}\right)dx\\&=\frac{1}{2^{n+1}}+2nS_{n}-2nS_{n+1}\end{aligned}이므로 Sn+1=2n−12nSn+12n+2n\displaystyle S_{n+1}=\frac{2n-1}{2n}S_{n}+\frac{1}{2^{n+2}n}이다.

(3) 모든 자연수 m\displaystyle m에 대해 수열 Am\displaystyle A_{m}을 Am=21×43×65×⋯×2m2m−1\displaystyle A_{m}=\frac{2}{1}\times\frac{4}{3}\times\frac{6}{5}\times\cdots\times\frac{2m}{2m-1}이라 정의한다. 모든 자연수 m\displaystyle m에 대해 부등식 2m+1≤Am≤2m\displaystyle \sqrt{2m+1}\le A_{m}\le2\sqrt{m}이 성립함을 보이시오.풀이: 수학적 귀납법을 사용하여 증명한다.m=1\displaystyle m=1이면 A1=2\displaystyle A_{1}=2이므로 주어진 부등식은 성립한다.m=k\displaystyle m=k일 때 2k+1≤Ak≤2k\displaystyle \sqrt{2k+1}\le A_{k}\le2\sqrt{k}이 성립한다고 가정하자. 정의에 의해 Ak+1=2k+22k+1Ak\displaystyle A_{k+1}=\frac{2k+2}{2k+1}A_{k}이므로,2k+22k+1≤Ak+1≤4(k+1)k2k+1\displaystyle \frac{2k+2}{\sqrt{2k+1}}\le A_{k+1}\le\frac{4(k+1)\sqrt{k}}{2k+1}이 성립한다. 한편, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 부등식(2n+1)(2n+3)<(2n+2)2,4n(n+1)<(2n+1)2\displaystyle (2n+1)(2n+3)<(2n+2)^{2},\quad4n(n+1)<(2n+1)^{2}이 성립하므로, 2k+3≤2k+22k+1\displaystyle \sqrt{2k+3}\le\frac{2k+2}{\sqrt{2k+1}}, 4(k+1)k2k+1≤2k+1\displaystyle \frac{4(k+1)\sqrt{k}}{2k+1}\le2\sqrt{k+1}이다. 그러므로 m=k+1\displaystyle m=k+1일 때 주어진 부등식이 성립한다.따라서 수학적 귀납법에 의하여 주어진 부등식은 모든 자연수 m\displaystyle m에 대하여 성립한다.

(4) 임의의 실수 α\displaystyle \alpha에 대하여 α<12\displaystyle \alpha<\frac{1}{2}이면 극한값 lim⁡n→∞∑k=2nnαkAn(AkSk+1−Ak−1Sk)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}\sqrt{k}}{A_{n}}(A_{k}S_{k+1}-A_{k-1}S_{k})이 0\displaystyle 0임을 보이시오.풀이: 문항 (2)로부터 식 AkSk+1−Ak−1Sk=Ak2k+2k\displaystyle A_{k}S_{k+1}-A_{k-1}S_{k}=\frac{A_{k}}{2^{k+2}k}을 2\displaystyle 2이상의 모든 자연수 k\displaystyle k에 대하여 얻는다. 그러므로lim⁡n→∞∑k=2nnαkAn(AkSk+1−Ak−1Sk)=lim⁡n→∞∑k=2nnαAkAn2k+2k\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}\sqrt{k}}{A_{n}}(A_{k}S_{k+1}-A_{k-1}S_{k})=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}A_{k}}{A_{n}2^{k+2}\sqrt{k}}이다. α<12\displaystyle \alpha<\frac{1}{2}일 때, 위 극한값이 0\displaystyle 0임을 확인한다. 문항 (3)에 의해,Akk≤2,1An≤12n+1\displaystyle \frac{A_{k}}{\sqrt{k}}\le2,\quad\frac{1}{A_{n}}\le\frac{1}{\sqrt{2n+1}}이므로, 부등식0≤∑k=2nnαAkAn2k+2k=nαAn∑k=2nAk2k+2k≤nα2n+1∑k=2n12k+1=nα2n+1(14−12n+1)\displaystyle \begin{aligned}0\le\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}A_{k}}{A_{n}2^{k+2}\sqrt{k}}&=\frac{n^{\alpha}}{A_{n}}\sum_{k=2}^{n}\frac{A_{k}}{2^{k+2}\sqrt{k}}\\&\le\frac{n^{\alpha}}{\sqrt{2n+1}}\sum_{k=2}^{n}\frac{1}{2^{k+1}}=\frac{n^{\alpha}}{\sqrt{2n+1}}\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{2^{n+1}}\right)\end{aligned}이 성립한다. α<12\displaystyle \alpha<\frac{1}{2}라 가정하면 lim⁡n→∞1n1/2−α=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^{1/2-\alpha}}=0이므로, 극한값이lim⁡n→∞nα2n+1(14−12n+1)=lim⁡n→∞1n1/2−αn2n+1(14−12n+1)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{n^{\alpha}}{\sqrt{2n+1}}\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{2^{n+1}}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^{1/2-\alpha}}\sqrt{\frac{n}{2n+1}}\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{2^{n+1}}\right)=0이고, 따라서 극한의 사잇값 정리에 의해 lim⁡n→∞∑k=2nnαkAn(AkSk+1−Ak−1Sk)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=2}^{n}\frac{n^{\alpha}\sqrt{k}}{A_{n}}(A_{k}S_{k+1}-A_{k-1}S_{k})=0을 얻는다.

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