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자연계열 3번

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2점 만점 · - 설명과 답안의 수식이 정확한 경우 (2점) - 설명이 없이 맞는 답안만 제시된 경우 (1점)

(1) mn\displaystyle \frac{m}{n}이 문제에서 구하는 분수라면 mnc<m+1n\displaystyle \frac{m}{n}\le c<\frac{m+1}{n} 이다. 즉, mnc<m+1\displaystyle m\le nc<m+1 이므로, m=[nc]\displaystyle m=[nc]이고, mn=[nc]n\displaystyle \frac{m}{n}=\frac{[nc]}{n}이 된다.

7점 만점 · - s(n)\displaystyle s(n)을 정확히 구함 (4점) - t(n)\displaystyle t(n)을 정확히 구함 (3점)

(2) 줄간격이 1n\displaystyle \frac{1}{n}인 모눈종이에 함수의 그래프를 그렸다고 생각하자.x\displaystyle x축상의 두 점 a,b\displaystyle a,b 사이에는 길이 1n\displaystyle \frac{1}{n}인 작은 구간이 n(ba)\displaystyle n(b-a)개 있다.k\displaystyle k번째 소구간 위쪽의 정사각형(즉, 모눈종이의 칸) 중 그래프와 만나는 가장 아래쪽의 정사각형은 (1)에 의해 밑변의 높이(즉, y\displaystyle y좌표)가 [nmk]n\displaystyle \frac{[nm_{k}]}{n}이고, 가장 위쪽의 정사각형은 밑변의 높이가 [nMk]n\displaystyle \frac{[nM_{k}]}{n}이 되어 그래프와 만나는 정사각형의 개수는 [nMk][nmk]+1\displaystyle [nM_{k}]-[nm_{k}]+1이다.k\displaystyle k번째 소구간 위쪽의 정사각형들 중 그래프와 만나지 않고 그 아래쪽에 있는 것들은 위에서 구한 밑변의 높이가 [nmk]n\displaystyle \frac{[nm_{k}]}{n}인 정사각형 아래쪽의 정사각형들이므로 개수는 [nmk]\displaystyle [nm_{k}]이다.따라서, s(n)=k=1n(ba)([nMk][nmk]+1)\displaystyle s(n)=\sum_{k=1}^{n(b-a)}([nM_{k}]-[nm_{k}]+1), t(n)=k=1n(ba)[nmk]\displaystyle t(n)=\sum_{k=1}^{n(b-a)}[nm_{k}] 이다.

7점 만점 · - s(n)\displaystyle s(n)을 합을 이용하여 정확히 구함 (3점) - t(n)\displaystyle t(n)을 합을 이용하여 정확히 구함 (4점)

(3) 소구간에서 증가하는 함수는 최솟값을 소구간의 왼쪽 끝점에서, 최댓값을 오른쪽 끝점에서 가진다. 감소할 때는 반대이다. k\displaystyle k번째 소구간은 [k1n,kn]\displaystyle \left[\frac{k-1}{n},\frac{k}{n}\right] (k=1,2,,3n)\displaystyle (k=1,2,\cdots,3n) 이므로 주어진 함수의 증가, 감소를 고려하면 각 소구간에서 최댓값, 최솟값은 아래와 같다.Mk={2kn1knk12n+52n+1k3n[nMk]={2k1kn[k+1+5n2]n+1k3n\displaystyle M_{k}=\begin{cases}\frac{2k}{n} & 1\le k\le n \\ -\frac{k-1}{2n}+\frac{5}{2} & n+1\le k\le3n\end{cases}\qquad[nM_{k}]=\begin{cases}2k & 1\le k\le n \\ \left[\frac{-k+1+5n}{2}\right] & n+1\le k\le3n\end{cases}mk={2(k1)n1knk2n+52n+1k3n[nmk]={2(k1)1kn[k+5n2]n+1k3n\displaystyle m_{k}=\begin{cases}\frac{2(k-1)}{n} & 1\le k\le n \\ -\frac{k}{2n}+\frac{5}{2} & n+1\le k\le3n\end{cases}\qquad[nm_{k}]=\begin{cases}2(k-1) & 1\le k\le n \\ \left[\frac{-k+5n}{2}\right] & n+1\le k\le3n\end{cases}

(2)에 의해서s(n)=k=13n([nMk][nmk]+1)=k=1n(2k2(k1)+1)+k=n+13n([k+1+5n2][k+5n2]+1)=k=1n3+k=n+13n([k+1+5n2][k+5n2])+k=n+13n1\displaystyle \begin{aligned} s(n) &=\sum_{k=1}^{3n}([nM_{k}]-[nm_{k}]+1) \\ &=\sum_{k=1}^{n}(2k-2(k-1)+1)+\sum_{k=n+1}^{3n}\left(\left[\frac{-k+1+5n}{2}\right]-\left[\frac{-k+5n}{2}\right]+1\right) \\ &=\sum_{k=1}^{n}3+\sum_{k=n+1}^{3n}\left(\left[\frac{-k+1+5n}{2}\right]-\left[\frac{-k+5n}{2}\right]\right)+\sum_{k=n+1}^{3n}1 \end{aligned}이다.

k=1n3=3n\displaystyle \sum_{k=1}^{n}3=3n, k=n+13n1=2n\displaystyle \sum_{k=n+1}^{3n}1=2n 이고,k=n+13n([k+1+5n2][k+5n2])=([4n2][4n12])+([4n12][4n22])+([4n22][4n32])++([2n+12][2n2])=[4n2][2n2]=2nn=n\displaystyle \begin{aligned} &\sum_{k=n+1}^{3n}\left(\left[\frac{-k+1+5n}{2}\right]-\left[\frac{-k+5n}{2}\right]\right) \\ &=\left(\left[\frac{4n}{2}\right]-\left[\frac{4n-1}{2}\right]\right)+\left(\left[\frac{4n-1}{2}\right]-\left[\frac{4n-2}{2}\right]\right)+\left(\left[\frac{4n-2}{2}\right]-\left[\frac{4n-3}{2}\right]\right)+\cdots+\left(\left[\frac{2n+1}{2}\right]-\left[\frac{2n}{2}\right]\right) \\ &=\left[\frac{4n}{2}\right]-\left[\frac{2n}{2}\right]=2n-n=n \end{aligned}이다.

위 식의 두 번째 줄을 2×2n\displaystyle 2\times2n 개의 항의 합으로 볼 때, 중간의 항들은 연이은 두 항씩 서로 상쇄되어 첫 항과 마지막 항만 남는다. 따라서, s(n)=6n\displaystyle s(n)=6n 이다.

마찬가지로, (2)에 의해t(n)=k=13n[nmk]=k=1n2(k1)+k=n+13n[k+5n2]\displaystyle t(n)=\sum_{k=1}^{3n}[nm_{k}]=\sum_{k=1}^{n}2(k-1)+\sum_{k=n+1}^{3n}\left[\frac{-k+5n}{2}\right] 이다.k=n+13n[k+5n2]=[4n12]+[4n22]+[4n32]+[4n42]++[2n2]=[2n12]+[2n1]+[2n112]+[2n2]++[n]=(2n1)+(2n1)+(2n2)+(2n2)++n=k=1n2(2nk)\displaystyle \begin{aligned} \sum_{k=n+1}^{3n}\left[\frac{-k+5n}{2}\right] &=\left[\frac{4n-1}{2}\right]+\left[\frac{4n-2}{2}\right]+\left[\frac{4n-3}{2}\right]+\left[\frac{4n-4}{2}\right]+\cdots+\left[\frac{2n}{2}\right] \\ &=\left[2n-\frac{1}{2}\right]+[2n-1]+\left[2n-1-\frac{1}{2}\right]+[2n-2]+\cdots+[n] \\ &=(2n-1)+(2n-1)+(2n-2)+(2n-2)+\cdots+n \\ &=\sum_{k=1}^{n}2(2n-k) \end{aligned}이다. (위 식의 두 번째 줄에서 항은 2n\displaystyle 2n개이며, 가우스 기호 안의 값은 12\displaystyle \frac{1}{2}씩 줄어든다. 따라서 그 값은 세 번째 줄에서와 같이 2n1,2n2,,n\displaystyle 2n-1,2n-2,\cdots,n이 연달아 두 번씩 나타난다.)

k=1n2(k1)=2k=1nkk=1n2=n(n+1)2n=n2n\displaystyle \sum_{k=1}^{n}2(k-1)=2\sum_{k=1}^{n}k-\sum_{k=1}^{n}2=n(n+1)-2n=n^{2}-n 이고,k=1n2(2nk)=k=1n4n2k=1nk=4n2n(n+1)=3n2n\displaystyle \sum_{k=1}^{n}2(2n-k)=\sum_{k=1}^{n}4n-2\sum_{k=1}^{n}k=4n^{2}-n(n+1)=3n^{2}-n 이므로,정리하면 t(n)=4n22n\displaystyle t(n)=4n^{2}-2n 이다.

4점 만점 · - 세 극한을 (3)의 식을 이용하여 구하기 (2점) - 영역의 면적과 limnt(n)n2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{t(n)}{n^{2}}이 같음을 설명 (넓이의 값과 비교 또는 정적분과 급수의 합 사이의 관계를 이용하여 설명) (1점) - 그래프의 길이와 limns(n)n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{s(n)}{n}의 값이 같지 않음을 설명 (길이 값 제시) (1점)

(4) limns(n)n2=limn6nn2=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{s(n)}{n^{2}}=\lim_{n\to\infty}\frac{6n}{n^{2}}=0, limnt(n)n2=limn4n22nn2=4\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{t(n)}{n^{2}}=\lim_{n\to\infty}\frac{4n^{2}-2n}{n^{2}}=4, limns(n)n=limn6nn=6\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{s(n)}{n}=\lim_{n\to\infty}\frac{6n}{n}=6 이다.t(n)\displaystyle t(n)은 그래프의 아래 x\displaystyle x축 위쪽의 정사각형들의 개수이고, 1n2\displaystyle \frac{1}{n^{2}}는 각 정사각형의 넓이이므로 t(n)n2\displaystyle \frac{t(n)}{n^{2}}는 이 정사각형들의 넓이의 합이다. 그 극한 limnt(n)n2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{t(n)}{n^{2}}은 그래프와 x\displaystyle x축 사이의 넓이이다.실제로 그래프와 x\displaystyle x축 사이의 넓이를 계산하면 (문제의 그림에서 삼각형과 사다리꼴의 넓이의 합) 12×1×2+2×(2+1)2=4\displaystyle \frac{1}{2}\times1\times2+2\times\frac{(2+1)}{2}=4 이다.주어진 함수 그래프의 길이는 (0,0)\displaystyle (0,0)(1,2)\displaystyle (1,2)를 잇는 선분의 길이와 (1,2)\displaystyle (1,2)(3,1)\displaystyle (3,1)을 잇는 선분의 길이의 합이므로 1+4+4+1=25\displaystyle \sqrt{1+4}+\sqrt{4+1}=2\sqrt{5}이고 limns(n)n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{s(n)}{n}는 그래프의 길이를 나타내지 않는다.

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