수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

<문제 2> 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

다음은 n!\displaystyle n!의 값을 함수 f(n)=Cnne−nn\displaystyle f(n)=Cn^{n}e^{-n}\sqrt{n}를 이용하여 근사값을 구하려는 과정을 단계별로 나눈 것이다. 여기서 자연수 n\displaystyle n이 커짐에 따라 극한 f(n)n!\displaystyle \frac{f(n)}{n!}이 1\displaystyle 1에 수렴하도록 상수 C\displaystyle C를 결정하려 한다.

(1) 음이 아닌 정수 n\displaystyle n에 대해서 정적분 In=∫0π2cos⁡nx dx\displaystyle I_{n}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}x\,dx를 정의하자. n≥2\displaystyle n\ge 2인 경우, 점화식 In=A(n)In−2\displaystyle I_{n}=A(n)I_{n-2}가 만족되도록 A(n)\displaystyle A(n)을 n\displaystyle n에 대한 함수로 표현하시오.

(2) 모든 n≥1\displaystyle n\ge 1에 대해서 부등식 I2n−1≥I2n≥I2n+1\displaystyle I_{2n-1}\ge I_{2n}\ge I_{2n+1}이 성립함을 보이시오.

(3) 위 (2)에 의해 부등식 1≥I2nI2n−1≥I2n+1I2n−1\displaystyle 1\ge\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}\ge\frac{I_{2n+1}}{I_{2n-1}}이 성립한다. n!=Cnnne−nn\displaystyle n!=C_{n}n^{n}e^{-n}\sqrt{n}로 놓으면 C=lim⁡n→∞Cn\displaystyle C=\lim_{n\to\infty}C_{n}이다. 이 관계식을 이용하면 I2nI2n−1\displaystyle \sqrt{\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}}은 어떤 상수 α\displaystyle \alpha로 수렴하는 n\displaystyle n에 관한 함수 αn\displaystyle \alpha_{n}에 대해 I2nI2n−1=αnCn\displaystyle \sqrt{\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}}=\frac{\alpha_{n}}{C_{n}}로 표현되고 I2n+1I2n−1\displaystyle \sqrt{\frac{I_{2n+1}}{I_{2n-1}}}은 n\displaystyle n에 대한 함수 p(n)\displaystyle p(n)으로 표현된다. 이 때, α\displaystyle \alpha와 p(n)\displaystyle p(n)을 구하시오.

(4) 위 (3)에서 부등식 1≥αnCn≥p(n)\displaystyle 1\ge\frac{\alpha_{n}}{C_{n}}\ge p(n)이 성립한다. 극한 lim⁡n→∞p(n)\displaystyle \lim_{n\to\infty}p(n)을 구하여 우리가 구하고자 하는 상수 C\displaystyle C를 결정하시오.

해설강의 준비중

논술 n!의 증가 속도(스털링 근사)

논술 사인·코사인의 거듭제곱의 정적분(월리스 공식)

심화 부분적분법의 반복

관련 개념강의 준비중

(1) [해]In=∫0π2cos⁡2x⋅cos⁡n−2x dx=∫0π2(1−sin⁡2x)⋅cos⁡n−2x dx=In−2+∫0π2cos⁡n−2x⋅(−sin⁡x)⋅sin⁡x dx\displaystyle \begin{aligned} I_{n} &=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2}x\cdot\cos^{n-2}x\,dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}(1-\sin^{2}x)\cdot\cos^{n-2}x\,dx \\ &=I_{n-2}+\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n-2}x\cdot(-\sin x)\cdot\sin x\,dx \end{aligned}

( 부분적분법 ∫u′v=uv−∫uv′\displaystyle \int u^{\prime}v=uv-\int uv^{\prime}, 에서 u=1n−1cos⁡n−1x\displaystyle u=\frac{1}{n-1}\cos^{n-1}x, v=sin⁡x\displaystyle v=\sin x )

=In−2+[1n−1cos⁡n−1xsin⁡x]0π2−1n−1∫0π2cos⁡n dx=In−2−(1n−1)In\displaystyle \begin{aligned} &=I_{n-2}+\Biggl[\frac{1}{n-1}\cos^{n-1}x\sin x\Biggr]_{0}^{\frac{\pi}{2}}-\frac{1}{n-1}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}\,dx \\ &=I_{n-2}-\left(\frac{1}{n-1}\right)I_{n} \end{aligned}Correction. 마지막 적분의 cos⁡n\displaystyle \cos^{n}에는 x\displaystyle x가 빠졌다. cos⁡nx\displaystyle \cos^{n}x로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.정리하면 In=n−1nIn−2\displaystyle I_{n}=\frac{n-1}{n}I_{n-2}, An=n−1n\displaystyle A_{n}=\frac{n-1}{n} (n≥2\displaystyle n\ge 2)

(2) [해] (1)에서cos⁡x≤1\displaystyle \cos x\le 1이기 때문에 ∫0π2cos⁡2n−1x⋅cos⁡x dx≤∫0π2cos⁡2n−1x dx\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n-1}x\cdot\cos x\,dx\le\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n-1}x\,dx이 성립한다.따라서I2n=∫0π2cos⁡2n−1x⋅cos⁡x dx≤∫0π2cos⁡2n−1x dx=I2n−1\displaystyle I_{2n}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n-1}x\cdot\cos x\,dx\le\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n-1}x\,dx=I_{2n-1}이고I2n+1=∫0π2cos⁡2nx⋅cos⁡x dx≤∫0π2cos⁡2nx dx=I2n\displaystyle I_{2n+1}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n}x\cdot\cos x\,dx\le\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2n}x\,dx=I_{2n}이다.

(3) [해] n=0\displaystyle n=0인 경우 I0=∫0π21 dx=π2\displaystyle I_{0}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}1\,dx=\frac{\pi}{2}이고n=1\displaystyle n=1인 경우 I1=∫0π2cos⁡x dx=1\displaystyle I_{1}=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos x\,dx=1이다.(1)에서 I0=π2\displaystyle I_{0}=\frac{\pi}{2}이고 I1=1\displaystyle I_{1}=1 그리고 In=n−1nIn−2\displaystyle I_{n}=\frac{n-1}{n}I_{n-2}로부터I2nI2n−1=2n−12n2n−32n−2⋯12I02n−22n−1⋅2n−42n−3⋯23I1=2nπ2(2n−12n2n−32n−2⋯32)2=nπ(2n−12n2n−32n−2⋯32)2\displaystyle \frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}=\frac{\frac{2n-1}{2n}\frac{2n-3}{2n-2}\cdots\frac{1}{2}I_{0}}{\frac{2n-2}{2n-1}\cdot\frac{2n-4}{2n-3}\cdots\frac{2}{3}I_{1}}=2n\frac{\pi}{2}\left(\frac{2n-1}{2n}\frac{2n-3}{2n-2}\cdots\frac{3}{2}\right)^{2}=n\pi\left(\frac{2n-1}{2n}\frac{2n-3}{2n-2}\cdots\frac{3}{2}\right)^{2}Correction. 괄호 안 곱의 마지막 인자는 32\displaystyle \frac{3}{2}가 아니라 12\displaystyle \frac{1}{2}이다. 뒤의 팩토리얼 표현과 최종 답에는 영향이 없다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

분모 : 2n⋅(2n−2)⋅(2n−4)⋯2=2nn!\displaystyle 2n\cdot(2n-2)\cdot(2n-4)\cdots 2=2^{n}n!분자 : (2n−1)⋅(2n−3)⋅(2n−5)⋯3=(2n)!2n⋅(2n−2)⋅(2n−4)⋯2=(2n)!2nn!\displaystyle (2n-1)\cdot(2n-3)\cdot(2n-5)\cdots 3=\frac{(2n)!}{2n\cdot(2n-2)\cdot(2n-4)\cdots 2}=\frac{(2n)!}{2^{n}n!}따라서 I2nI2n−1=nπ((2n)!2nn! 2nn!)2\displaystyle \frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}=n\pi\left(\frac{(2n)!}{2^{n}n!\,2^{n}n!}\right)^{2}이고 I2nI2n−1=nπ((2n)!2nn! 2nn!)\displaystyle \sqrt{\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}}=\sqrt{n\pi}\left(\frac{(2n)!}{2^{n}n!\,2^{n}n!}\right)이다.

n!=Cnnne−nn\displaystyle n!=C_{n}n^{n}e^{-n}\sqrt{n}과 (2n)!=C2n(2n)2ne−2n2n\displaystyle (2n)!=C_{2n}(2n)^{2n}e^{-2n}\sqrt{2n}를 대입하면I2nI2n−1=nπ(C2n⋅(2n)2ne−2n2nCn222nn2ne−2nn)=2π C2nCn2\displaystyle \sqrt{\frac{I_{2n}}{I_{2n-1}}}=\sqrt{n\pi}\left(\frac{C_{2n}\cdot(2n)^{2n}e^{-2n}\sqrt{2n}}{C_{n}^{2}2^{2n}n^{2n}e^{-2n}n}\right)=\frac{\sqrt{2\pi}\,C_{2n}}{C_{n}^{2}}따라서 αn=2π C2nCn\displaystyle \alpha_{n}=\frac{\sqrt{2\pi}\,C_{2n}}{C_{n}}이고, α=2π\displaystyle \alpha=\sqrt{2\pi}이다.

(p(n))2=I2n+1I2n−1=2n2n+12n−22n−1⋯23I12n−22n−1⋅2n−42n−3⋯23I1=2n2n+1\displaystyle (p(n))^{2}=\frac{I_{2n+1}}{I_{2n-1}}=\frac{\frac{2n}{2n+1}\frac{2n-2}{2n-1}\cdots\frac{2}{3}I_{1}}{\frac{2n-2}{2n-1}\cdot\frac{2n-4}{2n-3}\cdots\frac{2}{3}I_{1}}=\frac{2n}{2n+1}이다. p(n)=2n2n+1\displaystyle p(n)=\sqrt{\frac{2n}{2n+1}}

(4) [해] lim⁡n→∞p(n)=lim⁡n→∞1−12n+1=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}p(n)=\lim_{n\to\infty}\sqrt{1-\frac{1}{2n+1}}=1이고 lim⁡n→∞Cn=C\displaystyle \lim_{n\to\infty}C_{n}=C이므로 1≥2πC≥1\displaystyle 1\ge\frac{\sqrt{2\pi}}{C}\ge 1이 성립되어 C=2π\displaystyle C=\sqrt{2\pi}이다.

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