수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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[3-1 풀이]

함수 f(x)\displaystyle f ( x )x\displaystyle x의 값이 정수일 때 f(x)=0\displaystyle f ( x ) = 0, 그 외에는 1\displaystyle 1이므로 f(2k1)=0\displaystyle f \left( \sqrt{2 k - 1} \right) = 0이기 위한 필요충분조건은 2k1\displaystyle \sqrt{2 k - 1}가 정수이다.

1k50\displaystyle 1 \leq k \leq 50, 12k199\displaystyle 1 \leq 2 k - 1 \leq 99이므로 2k1\displaystyle \sqrt{2 k - 1}이 정수가 되는 2k1\displaystyle 2 k - 1의 값은 1\displaystyle 1, 9\displaystyle 9, 25\displaystyle 25, 49\displaystyle 49, 81\displaystyle 81

그러므로 2k1\displaystyle \sqrt{2 k - 1}이 정수가 되는 k\displaystyle k의 값은 1\displaystyle 1, 5\displaystyle 5, 13\displaystyle 13, 25\displaystyle 25, 41\displaystyle 41

따라서 k=150k×f(2k1)=k=150k(1+5+13+25+41)=50×51285=1190\displaystyle \sum_{k = 1}^{50} k \times f \left( \sqrt{2 k - 1} \right)= \sum_{k = 1}^{50} k - ( 1 + 5 + 13 + 25 + 41 )= \frac{{50 \times 51}}{2} - 85= 1190

[3-2 풀이]

1k100\displaystyle 1 \le k \le 100k\displaystyle k에 대하여 k\displaystyle \sqrt{k}가 정수이기 위해서는 k=l2\displaystyle k = l^{2} (l\displaystyle l10\displaystyle 10 이하의 자연수) 꼴이어야 하고 그렇지 않은 경우에는 g(k)+h(k)2=1+12=1\displaystyle \frac{{g ( \sqrt{k} ) + h ( \sqrt{k} )}}{2} = \frac{{1 + 1}}{2}= 1이므로 f(g(k)+h(k)2)=f(1)=0\displaystyle f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= f ( 1 )= 0이다.

그러므로 k=l2\displaystyle k = l^{2} 꼴인 경우는 다음과 같이 구분할 수 있다.

(ⅰ) l\displaystyle l2\displaystyle 2의 배수이지만 3\displaystyle 3의 배수가 아닌 경우

k=l2=22\displaystyle k= l^{2}= 2^{2}, 42\displaystyle 4^{2}, 82\displaystyle 8^{2}, 102\displaystyle 10^{2}이고 g(k)=0\displaystyle g ( \sqrt{k} )= 0, h(k)=1\displaystyle h ( \sqrt{k} ) = 1이므로

f(g(k)+h(k)2)=f(12)=1\displaystyle f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= f \left( \frac{1}{2} \right)= 1

(ⅱ) l\displaystyle l3\displaystyle 3의 배수이지만 2\displaystyle 2의 배수가 아닌 경우

k=l2=32\displaystyle k= l^{2}= 3^{2}, 92\displaystyle 9^{2}이고 g(k)=1\displaystyle g ( \sqrt{k} )= 1, h(k)=0\displaystyle h ( \sqrt{k} ) = 0이므로

f(g(k)+h(k)2)=f(12)=1\displaystyle f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= f \left( \frac{1}{2} \right)= 1

(ⅲ) l\displaystyle l2\displaystyle 2의 배수이고 3\displaystyle 3의 배수인 경우

k=l2=62\displaystyle k= l^{2}= 6^{2}이고 g(k)=0\displaystyle g ( \sqrt{k} )= 0, h(k)=0\displaystyle h ( \sqrt{k} ) = 0이므로

f(g(k)+h(k)2)=f(0)=0\displaystyle f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= f \left( 0 \right)= 0

(ⅳ) l\displaystyle l2\displaystyle 2의 배수, 3\displaystyle 3의 배수가 모두 아닌 경우

k=l2=12\displaystyle k= l^{2}= 1^{2}, 52\displaystyle 5^{2}, 72\displaystyle 7^{2}이고 g(k)=1\displaystyle g ( \sqrt{k} )= 1, h(k)=1\displaystyle h ( \sqrt{k} ) = 1이므로

f(g(k)+h(k)2)=f(1)=0\displaystyle f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= f \left( 1 \right)= 0

따라서 (ⅰ)~(ⅳ)에 의해 k=1100f(g(k)+h(k)2)=4+2=6\displaystyle \sum_{k = 1}^{100} f \left( \frac{{g \left( \sqrt{k} \right) + h \left( \sqrt{k} \right)}}{2} \right)= 4 + 2= 6이다.

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