수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[2.1] 첫째 날 학생 수는 2명이므로 a1=3\displaystyle a_1=3이고, 둘째 날 학생 수는 3명이므로 3팀이고 9문제를 풀었다. 따라서 a2=a1+9=12\displaystyle a_2=a_1+9=12이다.

[2.2] n\displaystyle n번째 날 학생 수는 n+1\displaystyle n+1명이므로 두 명씩 팀은 n+1C2=n(n+1)2\displaystyle {}_{n+1}\mathrm C_2=\frac{n(n+1)}2개가 있고n번째 날에 푼 문제 수=32n(n+1)\displaystyle n\text{번째 날에 푼 문제 수}=\frac32n(n+1)이다. 따라서an=3+3223++32n(n+1)=32k=1nk(k+1)=32{n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2}=n(n+1)(n+2)2\displaystyle \begin{aligned}a_n&=3+\frac32\cdot2\cdot3+\cdots+\frac32n(n+1)\\&=\frac32\sum_{k=1}^nk(k+1)\\&=\frac32\left\{\frac{n(n+1)(2n+1)}6+\frac{n(n+1)}2\right\}\\&=\frac{n(n+1)(n+2)}2\end{aligned}이다.

[2.3] 임의의 n\displaystyle n에 관하여1an=2n(n+1)(n+2)=An+Bn+1+Cn+2\displaystyle \frac1{a_n}=\frac2{n(n+1)(n+2)}=\frac An+\frac B{n+1}+\frac C{n+2}라 하면 A=1\displaystyle A=1, B=2\displaystyle B=-2, C=1\displaystyle C=1이므로, 부분합을 계산하면Sn=k=1n1ak=k=1n2k(k+1)(k+2)=k=1n(1k2k+1+1k+2)=(122+13)+(1223+14)++(1n12n+1n+1)+(1n2n+1+1n+2)=121n+1+1n+2\displaystyle \begin{aligned}S_n&=\sum_{k=1}^n\frac1{a_k}=\sum_{k=1}^n\frac2{k(k+1)(k+2)}=\sum_{k=1}^n\left(\frac1k-\frac2{k+1}+\frac1{k+2}\right)\\&=\left(1-\frac22+\frac13\right)+\left(\frac12-\frac23+\frac14\right)+\cdots+\left(\frac1{n-1}-\frac2n+\frac1{n+1}\right)+\left(\frac1n-\frac2{n+1}+\frac1{n+2}\right)\\&=\frac12-\frac1{n+1}+\frac1{n+2}\end{aligned}이다. 따라서n=11an=limnk=1n1ak=limn(121n+1+1n+2)=12\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac1{a_n}=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1{a_k}=\lim_{n\to\infty}\left(\frac12-\frac1{n+1}+\frac1{n+2}\right)=\frac12이다.

[2.4] 수학적 귀납법으로 증명해보자. 4a1=41232=a2\displaystyle 4a_1=4\cdot\frac{1\cdot2\cdot3}2=a_2이므로 n=1\displaystyle n=1일 때 성립한다.n=k\displaystyle n=k일 때 성립한다고 하면ak+1=5k(k+4){4a1+5a2++(k+3)ak}\displaystyle a_{k+1}=\frac5{k(k+4)}\{4a_1+5a_2+\cdots+(k+3)a_k\}이다. 이때4a1+5a2++(k+4)ak+1={4a1+5a2++(k+3)ak}+(k+4)ak+1=k(k+4)5ak+1+(k+4)ak+1=(k+4)(k+5)5ak+1=(k+4)(k+5)5(k+1)(k+2)(k+3)2=(k+1)(k+5)5ak+2\displaystyle \begin{aligned}4a_1+5a_2+\cdots+(k+4)a_{k+1}&=\{4a_1+5a_2+\cdots+(k+3)a_k\}+(k+4)a_{k+1}\\&=\frac{k(k+4)}5a_{k+1}+(k+4)a_{k+1}\\&=\frac{(k+4)(k+5)}5a_{k+1}\\&=\frac{(k+4)(k+5)}5\cdot\frac{(k+1)(k+2)(k+3)}2\\&=\frac{(k+1)(k+5)}5a_{k+2}\end{aligned}이므로ak+2=5(k+1)(k+5){4a1+5a2++(k+4)ak+1}\displaystyle a_{k+2}=\frac5{(k+1)(k+5)}\{4a_1+5a_2+\cdots+(k+4)a_{k+1}\}이다. 즉, n=k+1\displaystyle n=k+1일 때도 성립한다. 따라서 수학적 귀납법에 의해 모든 n\displaystyle n에 대하여 성립한다.

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