수리논술, 이게 다다.

의학계 3번

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문제

【문항 3】

[제시문]

(가) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에 대하여 bn=an+1−an\displaystyle b_n=a_{n+1}-a_n으로 정해지는 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}을 {an}\displaystyle \{a_n\}의 계차수열이라 한다.

(나) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에 대하여 첫째항과 이웃하는 항들 사이의 관계식으로 수열을 정의하는 것을 수열의 귀납적 정의라 한다. 예를 들면, 수열 {n!}\displaystyle \{n!\}에 대한 귀납적 정의는 다음과 같다.a1=1,an+1=(n+1)an(n=1,2,3,⋯ )\displaystyle a_1=1,\quad a_{n+1}=(n+1)a_n\quad(n=1,2,3,\cdots)

(다) 임의의 실수 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여∫0xtn(α+βln⁡t) dt=xn+1n+1[α+βn+1{−1+(1+n)ln⁡x}](n=1,2,3,⋯ )\displaystyle \int_0^x t^n(\alpha+\beta\ln t)\,dt=\frac{x^{n+1}}{n+1}\left[\alpha+\frac{\beta}{n+1}\{-1+(1+n)\ln x\}\right]\quad(n=1,2,3,\cdots)이 성립한다.

(라) 등식 lim⁡n→∞ln⁡(n+1)∑m=1n1m+1=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\ln(n+1)}{\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}}=1이 성립한다.

[문제] 모든 실수 x\displaystyle x (x≥0\displaystyle x\ge0)에 대하여 f1(x),f2(x),⋯ ,fn(x),⋯\displaystyle f_1(x),f_2(x),\cdots,f_n(x),\cdots를 귀납적으로f1(x)={0(x=0)xln⁡x(x>0),fn+1(x)=∫0xfn(t) dt\displaystyle f_1(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\x\ln x&(x>0)\end{cases},\quad f_{n+1}(x)=\int_0^x f_n(t)\,dt로 정의하고, cn=−fn(1)\displaystyle c_n=-f_n(1) (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)이라고 할 때, 다음 물음에 답하시오.

3-1. c2\displaystyle c_2와 c3\displaystyle c_3의 값을 각각 구하시오. (15점)

3-2. lim⁡n→∞(n!)cnln⁡n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{(n!)c_n}{\ln n}의 값을 구하시오. (20점)

논술 조화수와 로그함수

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3-1.c2\displaystyle c_2와 c3\displaystyle c_3를 구하기 위하여 f2(x),f3(x)\displaystyle f_2(x),f_3(x)을 구하여보자.제시문 (다)에서 n=1,α=0,β=1\displaystyle n=1,\alpha=0,\beta=1을 대입하면f2(x)={0(x=0)x22[−12+ln⁡x](x>0)(식1)\displaystyle f_2(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\\frac{x^2}{2}\left[-\frac12+\ln x\right]&(x>0)\end{cases}\qquad(\text{식}1)가 된다. 그러므로 c2=−f2(1)=−0−122=14\displaystyle c_2=-f_2(1)=-\frac{0-\frac12}{2}=\frac14이다.

+15점 · 귀납적 정의를 이용하여 수열의 특정 항 구하기

(식1)의 결과로부터 제시문 (다)에서 n=2,α=−14,β=12\displaystyle n=2,\alpha=-\frac14,\beta=\frac12을 대입하면f2(x)={0(x=0)x33[−14−13⋅12+12ln⁡x](x>0)\displaystyle f_2(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\\frac{x^3}{3}\left[-\frac14-\frac13\cdot\frac12+\frac12\ln x\right]&(x>0)\end{cases}Correction. 이 식의 f2(x)\displaystyle f_2(x)는 f3(x)\displaystyle f_3(x)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

가 된다. 그러므로 c3=−f3(1)=1413+13212!=536\displaystyle c_3=-f_3(1)=\frac14\frac13+\frac1{3^2}\frac1{2!}=\frac5{36}이다.

3-2.자연수 n\displaystyle n (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)에 대하여fn(x)={0(x=0)xn(an+bnln⁡x),a1=0, b1=1(x>0)(식2)\displaystyle f_n(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\x^n(a_n+b_n\ln x),\quad a_1=0,\ b_1=1&(x>0)\end{cases}\qquad(\text{식}2)라 하자. 제시문 (다)에 의해fn+1(x)={0(x=0)xn+1((n+1)an−bn(n+1)2+(bnn+1)ln⁡x)(x>0)(식3)\displaystyle f_{n+1}(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\x^{n+1}\left(\frac{(n+1)a_n-b_n}{(n+1)^2}+\left(\frac{b_n}{n+1}\right)\ln x\right)&(x>0)\end{cases}\qquad(\text{식}3)가 된다. (식2)의 n+1\displaystyle n+1항은fn+1(x)={0(x=0)xn+1(an+1+bn+1ln⁡x)(x>0)(식4)\displaystyle f_{n+1}(x)=\begin{cases}0&(x=0)\\x^{n+1}(a_{n+1}+b_{n+1}\ln x)&(x>0)\end{cases}\qquad(\text{식}4)이다. (식3)와 (식4)으로부터 xn+1\displaystyle x^{n+1}, xn+1ln⁡x\displaystyle x^{n+1}\ln x의 계수를 비교하여bn+1=bnn+1,b1=1,\displaystyle b_{n+1}=\frac{b_n}{n+1},\quad b_1=1,an+1=(n+1)an−bn(n+1)2=ann+1−bn(n+1)2,a1=0\displaystyle a_{n+1}=\frac{(n+1)a_n-b_n}{(n+1)^2}=\frac{a_n}{n+1}-\frac{b_n}{(n+1)^2},\quad a_1=0인 수열을 얻는다. 먼저 제시문 (나)에 설명한 귀납적 정의로 주어진 수열 bn\displaystyle b_n의 일반항을 구하면bn=1n!\displaystyle b_n=\frac1{n!}이 되고an+1=ann+1−bn(n+1)2=ann+1−1(n+1)2×n!,a1=0\displaystyle a_{n+1}=\frac{a_n}{n+1}-\frac{b_n}{(n+1)^2}=\frac{a_n}{n+1}-\frac1{(n+1)^2\times n!},\quad a_1=0이 된다. 따라서cn+1=−an+1=−ann+1+1(n+1)2×n!=cnn+1+1(n+1)2×n!,c1=0(식5)\displaystyle \begin{aligned}c_{n+1}=-a_{n+1}&=\frac{-a_n}{n+1}+\frac1{(n+1)^2\times n!}\\&=\frac{c_n}{n+1}+\frac1{(n+1)^2\times n!},\qquad c_1=0\end{aligned}\qquad(\text{식}5)이 된다. (n!)cnln⁡n\displaystyle \frac{(n!)c_n}{\ln n}을 계산하기 위하여 우선 (n!)cn\displaystyle (n!)c_n을 편의상 dn=(n!)cn\displaystyle d_n=(n!)c_n라 하자.

문항 3-1 로부터 얻은 (식5)의 cn+1=cnn+1+1(n+1)2×n!\displaystyle c_{n+1}=\frac{c_n}{n+1}+\frac1{(n+1)^2\times n!}의 양변에 (n+1)!\displaystyle (n+1)!을 곱하면Correction. 식 (5)는 문항 3-2의 풀이에서 얻은 식이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.dn+1=dn+1n+1,d1=(n!)c1=0\displaystyle d_{n+1}=d_n+\frac1{n+1},\quad d_1=(n!)c_1=0를 얻는다. 이는 제시문 (가)에 설명한 계차수열이 되고 이 계차수열의 일반항은d1=0,dn+1=1n+1+dn=1n+1+1n+dn−1=1n+1+1n+⋯+11+1+d1=1n+1+1n+⋯+12=∑m=1n1m+1(n=1,2,3,⋯ )\displaystyle \begin{aligned}d_1&=0,\\d_{n+1}&=\frac1{n+1}+d_n=\frac1{n+1}+\frac1n+d_{n-1}\\&=\frac1{n+1}+\frac1n+\cdots+\frac1{1+1}+d_1\\&=\frac1{n+1}+\frac1n+\cdots+\frac12\\&=\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}\qquad(n=1,2,3,\cdots)\end{aligned}이다. 따라서lim⁡n→∞(n!)cnln⁡n=lim⁡n→∞dnln⁡n=lim⁡n→∞dn+1ln⁡(n+1)=lim⁡n→∞1ln⁡(n+1)(∑m=1n1m+1)\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{(n!)c_n}{\ln n}&=\lim_{n\to\infty}\frac{d_n}{\ln n}=\lim_{n\to\infty}\frac{d_{n+1}}{\ln(n+1)}\\&=\lim_{n\to\infty}\frac1{\ln(n+1)}\left(\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}\right)\end{aligned}이다. 제시문 (라)에 의하여 lim⁡n→∞ln⁡(n+1)∑m=1n1m+1=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\ln(n+1)}{\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}}=1이므로

+20점 · 귀납적 정의를 이용하여 수열의 극한 구하기

lim⁡n→∞(n!)cnln⁡n=lim⁡n→∞1ln⁡(n+1)(∑m=1n1m+1)=lim⁡n→∞1ln⁡(n+1)∑m=1n1m+1=11=1\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{(n!)c_n}{\ln n}&=\lim_{n\to\infty}\frac1{\ln(n+1)}\left(\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\frac1{\frac{\ln(n+1)}{\sum_{m=1}^n\frac1{m+1}}}=\frac11\\&=1\end{aligned}이다.

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