수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 1번

문제

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해설강의 준비중
+30점 · 답 a2=3\displaystyle a_2=3, a3=15\displaystyle a_3=15, a4=105\displaystyle a_4=105를 구하면 각 10점

【1-1】 집합 X={1,2,,2n}\displaystyle X=\{1,2,\cdots,2n\}에 속하는 원소 k\displaystyle k에 대하여 f(k)=l\displaystyle f(k)=l이라 하자. 함수 f(x)\displaystyle f(x)X\displaystyle X의 모든 원소 x\displaystyle x에 대하여 f(x)x\displaystyle f(x)\ne x이므로 kl\displaystyle k\ne l이다. 또한, 함수 f(x)\displaystyle f(x)X\displaystyle X의 모든 원소 x\displaystyle x에 대하여 ff(x)=x\displaystyle f\circ f(x)=x이므로 f(l)=k\displaystyle f(l)=k이다. 따라서, an\displaystyle a_n은 서로 다른 2n\displaystyle 2n개의 원소를 2\displaystyle 2개씩 짝을 짓는 경우의 수와 같다. 따라서,a2=4C2×2C22!=3,a3=6C2×4C2×2C23!=15,a4=8C2×6C2×4C2×2C24!=105\displaystyle a_2=\dfrac{{}_{4}\mathrm C_2\times{}_{2}\mathrm C_2}{2!}=3,\quad a_3=\dfrac{{}_{6}\mathrm C_2\times{}_{4}\mathrm C_2\times{}_{2}\mathrm C_2}{3!}=15,\quad a_4=\dfrac{{}_{8}\mathrm C_2\times{}_{6}\mathrm C_2\times{}_{4}\mathrm C_2\times{}_{2}\mathrm C_2}{4!}=105이다.

+15점 · ln(n!)=k=1nlnk\displaystyle \ln(n!)=\sum_{k=1}^n\ln k임을 보이면 +15점 · 1nlnxdxk=1nlnk\displaystyle \int_1^n\ln x\,dx\le\sum_{k=1}^n\ln k임을 증명하면

【1-2】 ln(n!)=k=1nlnk\displaystyle \ln(n!)=\sum_{k=1}^n\ln k이다. 따라서, 아래 그림에서 1nlnxdxln(n!)\displaystyle \int_1^n\ln x\,dx\le\ln(n!)가 성립한다.

y=ln x 그래프와 오른쪽 끝점 높이의 직사각형을 비교한 대학 원본 그림
+20점 · 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항 an=(2n)!2nn!\displaystyle a_n=\dfrac{(2n)!}{2^nn!}을 구하면 +10점 · 부등식 ln(n!3n)ln(n!)lncnlnbnln(n!3n)ln(n!)\displaystyle \dfrac{\ln\left(\sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\right)}{\ln(n!)}\le\dfrac{\ln c_n}{\ln b_n}\le\dfrac{\ln\left(\sqrt{n!3^n}\right)}{\ln(n!)}을 구하면

【1-3】 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항은 an=2nC2××2C2n!=(2n)!2nn!\displaystyle a_n=\dfrac{{}_{2n}\mathrm C_2\times\cdots\times{}_{2}\mathrm C_2}{n!}=\dfrac{(2n)!}{2^nn!}이다. bn=(2n)!2nan\displaystyle b_n=\dfrac{(2n)!}{2^na_n}이므로, 따라서 bn=n!\displaystyle b_n=n!이다.모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 n!3ncnn!3n\displaystyle \sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\le c_n\le\sqrt{n!3^n}이므로ln(n!3n)ln(n!)lncnlnbnln(n!3n)ln(n!)\displaystyle \dfrac{\ln\left(\sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\right)}{\ln(n!)}\le\dfrac{\ln c_n}{\ln b_n}\le\dfrac{\ln\left(\sqrt{n!3^n}\right)}{\ln(n!)}이다. 한편,ln(n!3n)ln(n!)=ln(n!)nln32ln(n!)=12nln32ln(n!)\displaystyle \dfrac{\ln\left(\sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\right)}{\ln(n!)}=\dfrac{\ln(n!)-n\ln3}{2\ln(n!)}=\dfrac12-\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}이고 ln(n!3n)ln(n!)=ln(n!)+nln32ln(n!)=12+nln32ln(n!)\displaystyle \dfrac{\ln\left(\sqrt{n!3^n}\right)}{\ln(n!)}=\dfrac{\ln(n!)+n\ln3}{2\ln(n!)}=\dfrac12+\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}이다.

+10점 · 부등식 0nln32ln(n!)ln32(lnn1+1n)\displaystyle 0\le\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}\le\dfrac{\ln3}{2\left(\ln n-1+\dfrac1n\right)}을 구하면 +5점 · 극한값 limnnln32ln(n!)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}=0을 구하면 +10점 · limnln(n!3n)ln(n!)=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln\left(\sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\right)}{\ln(n!)}=\dfrac12, limnln(n!3n)ln(n!)=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln\left(\sqrt{n!3^n}\right)}{\ln(n!)}=\dfrac12을 구하면 각 5점 +5점 · 답 limnlncnlnbn=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln c_n}{\ln b_n}=\dfrac12을 구하면

이때, 【1-2】와 제시문 (나)에 의해0nln32ln(n!)nln321nlnxdx=nln32(nlnnn+1)=ln32(lnn1+1n)\displaystyle 0\le\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}\le\dfrac{n\ln3}{2\int_1^n\ln x\,dx}=\dfrac{n\ln3}{2(n\ln n-n+1)}=\dfrac{\ln3}{2\left(\ln n-1+\dfrac1n\right)}이고 제시문 (다)에 의해 limnnln32ln(n!)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}=0이다. 그러므로limnln(n!3n)ln(n!)=limn(12nln32ln(n!))=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln\left(\sqrt{\dfrac{n!}{3^n}}\right)}{\ln(n!)}=\lim_{n\to\infty}\left(\dfrac12-\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}\right)=\dfrac12이고 limnln(n!3n)ln(n!)=limn(12+nln32ln(n!))=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln\left(\sqrt{n!3^n}\right)}{\ln(n!)}=\lim_{n\to\infty}\left(\dfrac12+\dfrac{n\ln3}{2\ln(n!)}\right)=\dfrac12이다. 따라서, 제시문 (다)에 의해 limnlncnlnbn=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\dfrac{\ln c_n}{\ln b_n}=\dfrac12이다.

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