수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

좌표평면의 점 (a,b)\displaystyle ( a , b )에 대해 a\displaystyle a와 b\displaystyle b가 둘 다 정수인 점들을 생각하자.

좌표가 모두 정수인 격자점.

양의 실수 x\displaystyle x에 대해, 이러한 점들 중 원점 O\displaystyle O 에서의 거리가 x\displaystyle x 이하인 점들의 개수를 F(x)\displaystyle F ( x )라 하자. 예를 들어, F(1)=5,F(3)=9,F(3)=29\displaystyle F ( 1 ) = 5 , F ( \sqrt{{3}} ) = 9 , F ( 3 ) = 29 이다.

(1) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대해, F(x)\displaystyle F ( x )를 4\displaystyle 4로 나눈 나머지는 항상 1\displaystyle 1임을 설명하여라.

(2) F(115)=357\displaystyle F ( \sqrt{{115}} ) = 357이다. F(116)\displaystyle F ( \sqrt{{116}} )의 값을 구하여라.

(3) 아래 그림을 참고하여 22\displaystyle \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}이상의 임의의 실수 x\displaystyle x에 대해

π(x−22)2≤F(x)≤π(x+22)2\displaystyle \pi {\left( x - \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}} \leq F ( x ) \leq \pi {\left( x + \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}}

이 성립함을 설명하여라.

원 안의 격자점과 그 점을 중심으로 하는 단위 정사각형.

(4) lim⁡x→∞F(x)x2\displaystyle \lim _{{x \to \infty }} {\frac{{F ( x )}}{{x^{{2}}}}}의 값을 구하여라.

해설강의 준비중

논술 도형의 근사와 극한

관련 개념강의 준비중

(1) F(x)\displaystyle F ( x ) 는 좌표평면에서 중심이 원점이며 반지름이 x\displaystyle x인 원 안에 포함된 정수 순서쌍의 개수와 같다. 원점을 제외한 임의의 한 점이 이러한 원 안에 포함되면, 90∘\displaystyle 90^\circ씩 회전하여 나타나는 4개의 점들이 동시에 포함된다. 그러므로 원점을 제외하면 원 안에 포함된 점의 개수는 4의 배수이다. 원점은 항상 포함되므로 총 개수를 4로 나눈 나머지는 1이다.

(2) F(115)\displaystyle F(\sqrt{115})은 m2+n2≤115\displaystyle m^2+n^2\le115인 모든 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수이며, F(116)\displaystyle F(\sqrt{116})은 m2+n2≤116\displaystyle m^2+n^2\le116인 모든 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수이다. 이때 m2+n2\displaystyle m^2+n^2의 값은 항상 정수이므로, 115<m2+n2<116\displaystyle 115<m^2+n^2<116인 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)은 존재하지 않는다. 따라서 F(116)\displaystyle F(\sqrt{116})에 새로 추가되는 점들은 m2+n2=116\displaystyle m^2+n^2=116인 정수 순서쌍의 개수이다. 이를 구하기 위해 116이 언제 두 제곱수의 합으로 나타나는지 살펴보자. 116<112\displaystyle 116<11^2이므로 102\displaystyle 10^2이하의 제곱수의 집합 {02,12,22,⋯ ,102}={0,1,4,⋯ ,100}\displaystyle \{0^2,1^2,2^2,\cdots,10^2\}=\{0,1,4,\cdots,100\}을 고려하면 충분하다. 이들 중 두 제곱수의 합이 116이 되는 경우는 116=16+100=100+16\displaystyle 116=16+100=100+16밖에 없다. 그러므로 m2+n2=116\displaystyle m^2+n^2=116인 정수 순서쌍은 제1사분면에 (4,10),(10,4)\displaystyle (4,10),(10,4) 두 개가 있고, 나머지 사분면에도 두 개씩 있으므로 총 8개 (즉, (4,10),(−4,10),(4,−10),(−4,−10),(10,4),(−10,4),(10,−4),(−10,−4)\displaystyle (4,10),(-4,10),(4,-10),(-4,-10),(10,4),(-10,4),(10,-4),(-10,-4))이다. 그러므로 F(116)=F(115)+8=365\displaystyle F(\sqrt{116})=F(\sqrt{115})+8=365이다.

(3) 주어진 그림과 같이 중심이 원점이며 반지름이 x\displaystyle x인 원 안에 포함된 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle ( m , n )에 그 점을 중심으로 갖는 단위면적의 정사각형과의 일대일 대응을 고려하면, 색칠된 영역은 이 정사각형들의 합집합이므로 F(x)\displaystyle F ( x )와 넓이가 같다. 색칠된 영역에 있는 임의의 점 (a,b)\displaystyle ( a , b )는 원점으로부터의 거리가 x\displaystyle x이하인 어떤 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle ( m , n )을 중심으로 갖는 단위 정사각형에 포함되므로 (m,n)\displaystyle ( m , n )과 (a,b)\displaystyle ( a , b )사이의 거리는 22\displaystyle \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}이하이다. 삼각형의 한 변의 길이는 나머지 두 변의 길이의 합 이하이므로 (a,b)\displaystyle ( a , b )와 원점 사이의 거리는 x+22\displaystyle x + \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}이하이다. 즉, 색칠된 영역은 반지름x+22\displaystyle x + \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}인 원 안에 포함되므로, 두 넓이를 비교하면 F(x)≤π(x+22)2\displaystyle F ( x ) \leq \pi {\left( x + \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}}를 얻는다. 비슷하게, 색칠된 영역에 포함되지 않은 임의의 점 (c,d)\displaystyle ( c , d )는 원점 으로부터의 거리가 x\displaystyle x보다 큰 어떤 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle ( m , n )을 중심으로 갖는 단위 정사각형에 포함되고, 역시 (m,n)\displaystyle ( m , n )과 (c,d)\displaystyle ( c , d )사이의 거리는22\displaystyle \frac{{\sqrt{2}}}{{2}}이하이다. 그러므로 (c,d)\displaystyle ( c , d )와 원점 사이의 거리는 x−22\displaystyle x - \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}보다 크다. 즉, 반지름 x−22\displaystyle x - \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} 인 원은 색칠된 영역에 포함되므로π(x−22)2≤F(x)\displaystyle \pi {\left( x - \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}} \leq F ( x )이다.

(4) x≥22\displaystyle x \geq \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}}일 때, 위 문항에서 구한 부등식 π(x−22)2≤F(x)≤π(x+22)2\displaystyle \pi {\left( x - \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}} \leq F ( x ) \leq \pi {\left( x + \frac{{\sqrt{{2}}}}{{2}} \right)}^{{2}}으로부터 부등식 π(x−2/2)2x2≤F(x)x2≤π(x+2/2)2x2\displaystyle \pi \frac{{{( x - \sqrt{{2}} / 2 )}^{{2}}}}{{x^{{2}}}} \leq \frac{{F ( x )}}{{x^{{2}}}} \leq \pi \frac{{( x + \sqrt{{2}} / 2 )^{{2}}}}{{x^{{2}}}}을 얻는다. x→∞\displaystyle x \to \infty 일 때 부등식의 좌, 우 항이 모두 π\displaystyle \pi 로 수렴하므로 F(x)x2\displaystyle \frac{{F ( x )}}{{x^{{2}}}}도 π\displaystyle \pi 로 수렴한다.

1. 풀이과정이 논리적이고 문제에서 요구하는 답이 맞은 경우 만점이다.

2. 각 문항에서 논리적인 기술이 부족한 경우 감점한다.

3. 각 문항의 풀이는 맞으나 계산에서 실수가 있는 경우 감점한다.

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