수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

문제

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해설강의 준비중
+2점 · n=1\displaystyle n=1일 때 성립

1-1. (10점) an={12n(n+1)}2\displaystyle a_{n} = \left\{ \frac{{1}}{2} n ( n + 1 ) \right\}^{2}이므로 {12n(n+1)}2=13+23+33++n3\displaystyle \left\{ \frac{{1}}{2} n ( n + 1 ) \right\}^{2} = 1^{3} + 2^{3} + 3^{3} + \cdots + n^{3} 임을 제시문 [나]의 수학적 귀납법을 이용하여 밝히면 된다.i) n=1\displaystyle n = 1 일 때, 분명히 (좌변)=1\displaystyle = 1=(우변) 으로 성립한다.

+2점 · n=k\displaystyle n=k일 때 성립한다고 가정

ii) n=k\displaystyle n = k일 때, 성립한다고 가정하면

+4점 · n=k+1\displaystyle n=k+1일 때에도 성립

13+23++k3+(k+1)3={12k(k+1)}2+(k+1)3\displaystyle 1^{3} + 2^{3} + \cdots + k^{3} + ( k + 1 )^{3} = \left\{ \frac{{1}}{2} k ( k + 1 ) \right\}^{2} + ( k + 1 )^{3} =14(k+1)2{k2+4(k+1)}\displaystyle = \frac{{1}}{4} ( k + 1 )^{2} \left\{ k^{2} + 4 ( k + 1 ) \right\}={12(k+1)(k+2)}2={12(k+1)((k+1)+1)}2=an+1\displaystyle = \left\{ \frac{{1}}{2} ( k + 1 ) ( k + 2 ) \right\}^{2}= \left\{ \frac{{1}}{2} ( k + 1 ) ( ( k + 1 ) + 1 ) \right\}^{2} = a_{n + 1} 이므로 n=k+1\displaystyle n = k + 1일 때에도 성립한다.

+2점 · 수학적귀납법

제시문 [나]의 수학적귀납법에 의하여 an=13+23+33++k3={12k(k+1)}2\displaystyle a_{n} = 1^{3} + 2^{3} + 3^{3} + \cdots + k^{3} = \left\{ \frac{{1}}{2} k ( k + 1 ) \right\}^{2} 가 성립한다.

+1점 · 2n21\displaystyle 2n^2-1

1-2. (5점) 일반항 bn\displaystyle b_{n}은 1-1 에 의하여 bn=c1+c2+c3++cn13+23+33++n3=1+6+10+14++(n)(1+2+3++n)2\displaystyle b_{n} = \frac{{c_{1} + c_{2} + c_{3} + \cdots + c_{n}}}{1^{3} + 2^{3} + 3^{3} + \cdots + n^{3}} = \frac{{1 + 6 + 10 + 14 + \cdots + (\text{제}n\text{항})}}{\left( 1 + 2 + 3 + \cdots + n \right)^{2}} 이다.1+6+10++(4n2)=2+6+10++(4n2)1=2n21\displaystyle 1 + 6 + 10 + \cdots + ( 4 n - 2 ) = 2 + 6 + 10 + \cdots + ( 4 n - 2 ) - 1= 2 n^{2} - 1 이고

+1점 · 일반항

(1+2+3++n)2={12n(n+1)}2=14n(n+1)2\displaystyle {\left( 1 + 2 + 3 + \cdots + n \right)^{2}}= \left\{ \frac{{1}}{2} n ( n + 1 ) \right\}^{2} = \frac{{1}}{4} n ( n + 1 )^{2}이므로 bn=4(2n21){n(n+1)}2\displaystyle b_{n} = \frac{{4 ( 2 n^{2} - 1 )}}{\left\{ n ( n + 1 ) \right\}^{2}} 이다.

+2점 · 극한

그러므로 limnn2bn=limn4n2(2n21){n(n+1)}2=limn4(2n21)(n+1)2\displaystyle \lim_{n \to \infty} {n^{2} b_{n}} =\lim_{n \to \infty} {\frac{{4 n^{2} ( 2 n^{2} - 1 )}}{\left\{ n ( n + 1 ) \right\}^{2}}}= \lim_{n \to \infty} {\frac{{4 ( 2 n^{2} - 1 )}}{( n + 1 )^{2}}} = 8 이고,

+1점 · 8에 수렴한다.

{n2bn}\displaystyle \left\{ n^{2} b_{n} \right\}은 8에 수렴한다.

+3점 · 비교할 무한급수 선택

1-3. (15점) 제시문 [나]에서 이미 수렴함을 알고 있는 무한급수n=1bn\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} b_{n}의 일반항으로bn=8n(n+1)\displaystyle b_{n} = \frac{{8}}{n ( n + 1 )}을 선택하면

+3점 · 비교할 무한급수의 합

n=1bn=n=18n(n+1)=limn8k=1n1k(k+1)=limn8k=1n{1k1(k+1)}\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} b_{n}= \sum_{n = 1}^{\infty} \frac{{8}}{n ( n + 1 )}= \lim_{n \to \infty} {} 8 \sum_{k = 1}^{n} \frac{{1}}{k \left( k + 1 \right)}= \lim_{n \to \infty} {} 8 \sum_{k = 1}^{n} \left\{ \frac{{1}}{k} - \frac{{1}}{( k + 1 )} \right\}=limn8{(112)+(1213)+(1314)++(1n1(n+1))}\displaystyle = \lim_{n \to \infty} {} 8 \left\{ \left( 1 - \frac{{1}}{2} \right) + \left( \frac{{1}}{2} - \frac{{1}}{3} \right) + \left( \frac{{1}}{3} - \frac{{1}}{4} \right) + \cdots + \left( \frac{{1}}{n} - \frac{{1}}{( n + 1 )} \right) \right\}=limn8(11n+1)\displaystyle = \lim_{n \to \infty} {} 8 \left( 1 - \frac{{1}}{n + 1} \right) =8\displaystyle = 8 이다.

+4점 · 무한급수는 수렴한다.

한편 주어진 무한급수의 일반항은 an=4(2n21){n(n+1)}2\displaystyle a_{n} = \frac{{4 ( 2 n^{2} - 1 )}}{\left\{ n ( n + 1 ) \right\}^{2}} 이고, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0an=4(2n21){n(n+1)}28n2n2(n+1)2=8(n+1)28n(n+1)=bn\displaystyle 0 \le a_{n} = \frac{{4 ( 2 n^{2} - 1 )}}{\left\{ n ( n + 1 ) \right\}^{2}} \le \frac{{8 n^{2}}}{n^{2} ( n + 1 )^{2}} = \frac{{8}}{( n + 1 )^{2}} \le \frac{{8}}{n ( n + 1 )} = b_{n}이므로 제시문 [다]에 의하여 무한급수 n=1an\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} a_{n}은 수렴한다.

<주의> 비교대상의 수렴하는 무한급수n=1bn\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} b_{n}은 다양하게 나타날 수 있음.

+5점 · 무한급수의 합

이제 그 합을 구해보면 n=1an=limnk=1n4(2k21){k(k+1)}2\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} a_{n}= \lim_{n \to \infty} {\sum_{k = 1}^{n} \frac{{4 ( 2 k^{2} - 1 )}}{\left\{ k ( k + 1 ) \right\}^{2}}}이므로, 각 항을 부분분수로 고치기 위하여 4(2k21){k(k+1)}2=4{ak+bk2ck+d(k+1)2}\displaystyle \frac{{4 ( 2 k^{2} - 1 )}}{\left\{ k ( k + 1 ) \right\}^{2}} = 4 \left\{ \frac{{a k + b}}{k^{2}} - \frac{{c k + d}}{( k + 1 )^{2}} \right\} 라 두고 a,b,c,d\displaystyle a , b , c , d를 구하면 a=2,b=1,c=2,d=1\displaystyle a = 2 , b = - 1 , c = 2 , d = 1이다.따라서 무한급수의 부분합은Sn=k=1n4(2k21){k(k+1)}2=k=1n4{2k1k22k+1(k+1)2}\displaystyle S_{n} = \sum_{k = 1}^{n} \frac{{4 ( 2 k^{2} - 1 )}}{\left\{ k ( k + 1 ) \right\}^{2}}= \sum_{k = 1}^{n} 4 \left\{ \frac{{2 k - 1}}{k^{2}} - \frac{{2 k + 1}}{( k + 1 )^{2}} \right\} =4{12n+1(n+1)2}={2n(n+1)}2\displaystyle = 4 \left\{ 1 - \frac{{2 n + 1}}{( n + 1 )^{2}} \right\}= \left\{ \frac{{2 n}}{( n + 1 )} \right\}^{2}이고, 무한급수의 합은 n=1an=limnSn=limn{2n(n+1)}2=4\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} a_{n}= \lim_{n \to \infty} {S_{n}}= \lim_{n \to \infty} {\left\{ \frac{{2 n}}{( n + 1 )} \right\}^{2}}= 4 이다.

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