수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.(33점)

자연수 n\displaystyle n과 음이 아닌 정수 k\displaystyle k가 주어졌을 때, 다음 순서도에서 인쇄되는 값을 Sk(n)\displaystyle S_k(n)이라고 하자.

자연수 n과 정수 k를 입력받아 거듭제곱의 합을 계산하고 인쇄하는 순서도

[2.1] S1(10)\displaystyle S_1(10)과 S2(10)\displaystyle S_2(10)의 값을 구하시오.(8점)

[2.2] 음이 아닌 정수 k\displaystyle k에 대해서 T(k)=lim⁡n→∞Sk(n)nk+1\displaystyle T(k)=\lim_{n\to\infty}\frac{S_k(n)}{n^{k+1}}이라고 하자. 이때 방정식T(0)+2T(1)x+3T(2)x2+4T(3)x3+5T(4)x4+6T(5)x5=0\displaystyle T(0)+2T(1)x+3T(2)x^2+4T(3)x^3+5T(4)x^4+6T(5)x^5=0의 실근을 모두 구하시오.(15점)

[2.3] lim⁡n→∞(S4(n))2S9(n)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{(S_4(n))^2}{S_9(n)}의 값을 구하시오.(10점)

해설강의 준비중

[2.1] 주어진 순서도는 1부터 n\displaystyle n까지 자연수의 k\displaystyle k제곱의 합을 구하는 과정을 나타낸다. 따라서S1(10)=∑m=110m=55S2(10)=∑m=110m2=10×11×216=385\displaystyle \begin{aligned}S_1(10)&=\sum_{m=1}^{10}m=55\\S_2(10)&=\sum_{m=1}^{10}m^2=\frac{10\times11\times21}6=385\end{aligned}이다.

[2.2] 정적분의 정의에 의해서T(k)=lim⁡n→∞1nk+1∑m=1nmk=lim⁡n→∞∑m=1n(mn)k1n=∫01xk dx=1k+1\displaystyle T(k)=\lim_{n\to\infty}\frac1{n^{k+1}}\sum_{m=1}^nm^k=\lim_{n\to\infty}\sum_{m=1}^n\left(\frac mn\right)^k\frac1n=\int_0^1x^k\,dx=\frac1{k+1}이다. 따라서 주어진 방정식은1+x+x2+x3+x4+x5=0\displaystyle 1+x+x^2+x^3+x^4+x^5=0임을 알 수 있다. 한편,1+x+x2+x3+x4+x5=(1+x)(1+x2+x4)\displaystyle 1+x+x^2+x^3+x^4+x^5=(1+x)(1+x^2+x^4)이다. 여기서 1+x2+x4\displaystyle 1+x^2+x^4은 항상 양수이므로 x=−1\displaystyle x=-1이 유일한 실근이다.

[2.3] 분모와 분자를 n10\displaystyle n^{10}으로 나누면, 정적분의 정의에 의해lim⁡n→∞(S4(n))2S9(n)=lim⁡n→∞(∑m=1n(mn)41n)2∑m=1n(mn)91n=(∫01x4 dx)2∫01x9 dx=125110=25\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{(S_4(n))^2}{S_9(n)}=\lim_{n\to\infty}\frac{\left(\sum_{m=1}^n\left(\frac mn\right)^4\frac1n\right)^2}{\sum_{m=1}^n\left(\frac mn\right)^9\frac1n}=\frac{\left(\int_0^1x^4\,dx\right)^2}{\int_0^1x^9\,dx}=\frac{\frac1{25}}{\frac1{10}}=\frac25이다.

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