+15점 · S n = 2 n \displaystyle S_n=2^n S n = 2 n 을 구했다. 1. T n = ∑ k = 1 n k + 2 k ( k + 1 ) 2 k + 1 = ∑ k = 1 n ( 1 k 2 k − 1 ( k + 1 ) 2 k + 1 ) = 1 2 − 1 ( n + 1 ) 2 n + 1 \displaystyle T_n=\sum_{k=1}^n\frac{k+2}{k(k+1)2^{k+1}}=\sum_{k=1}^n\left(\frac1{k2^k}-\frac1{(k+1)2^{k+1}}\right)=\frac12-\frac1{(n+1)2^{n+1}} T n = k = 1 ∑ n k ( k + 1 ) 2 k + 1 k + 2 = k = 1 ∑ n ( k 2 k 1 − ( k + 1 ) 2 k + 1 1 ) = 2 1 − ( n + 1 ) 2 n + 1 1 S n = 2 n + 1 T n + 1 n + 1 = 2 n + 1 ( 1 2 − 1 ( n + 1 ) 2 n + 1 ) + 1 n + 1 = 2 n \displaystyle S_n=2^{n+1}T_n+\frac1{n+1}=2^{n+1}\left(\frac12-\frac1{(n+1)2^{n+1}}\right)+\frac1{n+1}=2^n S n = 2 n + 1 T n + n + 1 1 = 2 n + 1 ( 2 1 − ( n + 1 ) 2 n + 1 1 ) + n + 1 1 = 2 n 이다.
+20점 · ∑ n = 1 ∞ 1 a n = 2 5 5 \displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac1{a_n}=\frac{2\sqrt5}5 n = 1 ∑ ∞ a n 1 = 5 2 5 을 구했다. 점 P ( − 5 S n , 0 ) \displaystyle \mathrm P(-\sqrt5S_n,0) P ( − 5 S n , 0 ) , 교점(원과 접하는 두 접선 중 하나와 원이 만나는 교점) Q, 원점 O를 꼭짓점으로 가지는 직각삼각형과 교점 Q, y \displaystyle y y 절편, 원점 O를 꼭짓점으로 가지는 직각삼각형은 닮은꼴로 각 변의 길이의 비는 5 : 2 : 1 \displaystyle \sqrt5:2:1 5 : 2 : 1 이다. 이를 이용하여 y \displaystyle y y 절편의 절댓값을 구하면 a n = 2 n ⋅ 5 2 = 5 2 n − 1 \displaystyle a_n=2^n\cdot\frac{\sqrt5}2=\sqrt5\,2^{n-1} a n = 2 n ⋅ 2 5 = 5 2 n − 1 이다. 따라서 ∑ n = 1 ∞ 1 a n = ∑ n = 1 ∞ 1 5 2 n − 1 = 1 5 1 − 1 2 = 2 5 5 \displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac1{a_n}=\sum_{n=1}^\infty\frac1{\sqrt5\,2^{n-1}}=\frac{\frac1{\sqrt5}}{1-\frac12}=\frac{2\sqrt5}5 n = 1 ∑ ∞ a n 1 = n = 1 ∑ ∞ 5 2 n − 1 1 = 1 − 2 1 5 1 = 5 2 5 이다.
+15점 · P n = log 2 ( n + 1 ) − 1 − ∑ k = 1 n − 1 ( k + 1 ) \displaystyle P_n=\log_2(n+1)-1-\sum_{k=1}^{n-1}(k+1) P n = log 2 ( n + 1 ) − 1 − k = 1 ∑ n − 1 ( k + 1 ) 을 구했다. (혹은 P n \displaystyle P_n P n 이 정수가 되는 것을 결정하는 부분이 log 2 ( n + 1 ) \displaystyle \log_2(n+1) log 2 ( n + 1 ) 임을 구했다.) Correction. 채점표의 P n = log 2 ( n + 1 ) − 1 − ∑ k = 1 n − 1 ( k + 1 ) \displaystyle P_n=\log_2(n+1)-1-\sum_{k=1}^{n-1}(k+1) P n = log 2 ( n + 1 ) − 1 − k = 1 ∑ n − 1 ( k + 1 ) 은 P n = log 2 ( n + 1 ) − ∑ k = 1 n ( k + 1 ) \displaystyle P_n=\log_2(n+1)-\sum_{k=1}^{n}(k+1) P n = log 2 ( n + 1 ) − k = 1 ∑ n ( k + 1 ) 의 오기이다. 두 식의 차이가 정수이므로 정수 여부를 판단한 결과는 같다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
2. P n = ∑ k = 1 n log 2 k + 1 k 2 k + 1 = ∑ k = 1 n log 2 k + 1 k − ∑ k = 1 n log 2 2 k + 1 = log 2 ( 2 1 ⋅ 3 2 ⋅ 4 3 ⋯ n + 1 n ) − ∑ k = 1 n ( k + 1 ) = log 2 ( n + 1 ) − ∑ k = 1 n ( k + 1 ) \displaystyle \begin{aligned}P_n&=\sum_{k=1}^n\log_2\frac{k+1}{k2^{k+1}}\\&=\sum_{k=1}^n\log_2\frac{k+1}k-\sum_{k=1}^n\log_2 2^{k+1}\\&=\log_2\left(\frac21\cdot\frac32\cdot\frac43\cdots\frac{n+1}n\right)-\sum_{k=1}^n(k+1)\\&=\log_2(n+1)-\sum_{k=1}^n(k+1)\end{aligned} P n = k = 1 ∑ n log 2 k 2 k + 1 k + 1 = k = 1 ∑ n log 2 k k + 1 − k = 1 ∑ n log 2 2 k + 1 = log 2 ( 1 2 ⋅ 2 3 ⋅ 3 4 ⋯ n n + 1 ) − k = 1 ∑ n ( k + 1 ) = log 2 ( n + 1 ) − k = 1 ∑ n ( k + 1 )
+15점 · 기댓값이 20임을 구했다. P n \displaystyle P_n P n 이 정수가 되기 위해서는 n + 1 \displaystyle n+1 n + 1 이 2의 거듭제곱 형태이어야 하므로 이를 만족하는 가장 작은 자연수 6개는 1 , 3 , 7 , 15 , 31 , 63 \displaystyle 1,3,7,15,31,63 1 , 3 , 7 , 15 , 31 , 63 이고 구하고자 하는 기댓값은 1 + 3 + 7 + 15 + 31 + 63 6 = 20 \displaystyle \frac{1+3+7+15+31+63}6=20 6 1 + 3 + 7 + 15 + 31 + 63 = 20 이다.
+15점 · L = 1 \displaystyle L=1 L = 1 임을 구했다. 3. L = lim n → ∞ ∑ k = 1 n 15 ( n 2 + n k + k 2 ) ( n 2 − n k + k 2 ) 23 n 5 = lim n → ∞ ∑ k = 1 n 15 ( n 4 + n 2 k 2 + k 4 ) 23 n 5 = 15 23 lim n → ∞ ∑ k = 1 n { 1 + ( k n ) 2 + ( k n ) 4 } ⋅ 1 n = 15 23 ∫ 0 1 1 + x 2 + x 4 d x = 15 23 [ x + 1 3 x 3 + 1 5 x 5 ] 0 1 = 15 23 ⋅ 23 15 = 1 \displaystyle \begin{aligned}L&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{15(n^2+nk+k^2)(n^2-nk+k^2)}{23n^5}\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{15(n^4+n^2k^2+k^4)}{23n^5}\\&=\frac{15}{23}\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\left\{1+\left(\frac kn\right)^2+\left(\frac kn\right)^4\right\}\cdot\frac1n\\&=\frac{15}{23}\int_0^1 1+x^2+x^4\,dx\\&=\frac{15}{23}\Biggl[x+\frac13x^3+\frac15x^5\Biggr]_0^1\\&=\frac{15}{23}\cdot\frac{23}{15}\\&=1\end{aligned} L = n → ∞ lim k = 1 ∑ n 23 n 5 15 ( n 2 + nk + k 2 ) ( n 2 − nk + k 2 ) = n → ∞ lim k = 1 ∑ n 23 n 5 15 ( n 4 + n 2 k 2 + k 4 ) = 23 15 n → ∞ lim k = 1 ∑ n { 1 + ( n k ) 2 + ( n k ) 4 } ⋅ n 1 = 23 15 ∫ 0 1 1 + x 2 + x 4 d x = 23 15 [ x + 3 1 x 3 + 5 1 x 5 ] 0 1 = 23 15 ⋅ 15 23 = 1
+20점 · 1 < k < 15 \displaystyle 1<k<15 1 < k < 15 임을 구했다. 이고, k ≤ 1 \displaystyle k\le1 k ≤ 1 인 범위에서는 y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) 와 y = g ( x ) \displaystyle y=g(x) y = g ( x ) 의 그래프가 항상 교점을 가진다는 것을 쉽게 확인이 가능하다. 즉, 1 < k \displaystyle 1<k 1 < k 이어야한다. 다음으로 y = x 2 − 6 x + 19 \displaystyle y=x^2-6x+19 y = x 2 − 6 x + 19 와 y = − 2 x + k \displaystyle y=-2x+k y = − 2 x + k 가 접할 때의 k \displaystyle k k 값을 구하자. 두 식에서 y \displaystyle y y 를 소거하면 x 2 − 4 x + 19 − k = 0 \displaystyle x^2-4x+19-k=0 x 2 − 4 x + 19 − k = 0 을 얻고 이때의 판별식 D = 4 − 19 + k \displaystyle D=4-19+k D = 4 − 19 + k 는 k = 15 \displaystyle k=15 k = 15 일 때 D = 0 \displaystyle D=0 D = 0 이고, 이때의 x \displaystyle x x 값은 2로 x > 1 \displaystyle x>1 x > 1 인 범위에 속한다. (y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) 는 x > 1 \displaystyle x>1 x > 1 인 범위에서만 y = x 2 − 6 x + 19 \displaystyle y=x^2-6x+19 y = x 2 − 6 x + 19 와 동일하기 때문에, 접하는 점의 x \displaystyle x x 좌표가 x > 1 \displaystyle x>1 x > 1 인 범위에 속하는지 확인할 필요가 있다.) 이 문제는 교점이 없을 때의 구간을 구하는 문제이므로 D < 0 \displaystyle D<0 D < 0 가 될 때의 k \displaystyle k k 의 범위는 k < 15 \displaystyle k<15 k < 15 임을 알 수 있다.따라서 구하고자 하는 k \displaystyle k k 의 범위는 1 < k < 15 \displaystyle 1<k<15 1 < k < 15 이다.