수리논술, 이게 다다.

자연계열 1-1번

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문제

[문제 1] 다음 물음에 답하시오.

[1.1] 일반항이 an=(−23)nsin⁡2nπ4\displaystyle a_n=\left(-\frac23\right)^n\sin^2\frac{n\pi}4인 수열 an\displaystyle {a_n}에 대하여 A=(23)100\displaystyle A=\left(\frac23\right)^{100}일 때, ∑n=1100an\displaystyle \sum_{n=1}^{100}a_n의 값을 A\displaystyle A에 대한 식으로 나타내시오.

해설강의 준비중
+5점 · n=4k−3\displaystyle n=4k-3이면 sin⁡2(4k−3)π4=sin⁡2π4=12\displaystyle \sin^2\frac{(4k-3)\pi}4=\sin^2\frac\pi4=\frac12 n=4k−2\displaystyle n=4k-2이면 sin⁡2(4k−2)π4=sin⁡2π2=1\displaystyle \sin^2\frac{(4k-2)\pi}4=\sin^2\frac\pi2=1 n=4k−1\displaystyle n=4k-1이면 sin⁡2(4k−1)π4=sin⁡23π4=12\displaystyle \sin^2\frac{(4k-1)\pi}4=\sin^2\frac{3\pi}4=\frac12 n=4k\displaystyle n=4k이면 sin⁡24kπ4=sin⁡2π=0\displaystyle \sin^2\frac{4k\pi}4=\sin^2\pi=0 이므로 ∑n=1100(−23)nsin⁡2nπ4=∑k=125{(−23)4k−312+(−23)4k−2+(−23)4k−112}=∑k=125(−2716+94−34)(−23)4k=−316∑k=125(23)4k\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{100}\left(-\frac23\right)^n\sin^2\frac{n\pi}4&=\sum_{k=1}^{25}\left\{\left(-\frac23\right)^{4k-3}\frac12+\left(-\frac23\right)^{4k-2}+\left(-\frac23\right)^{4k-1}\frac12\right\}\\&=\sum_{k=1}^{25}\left(-\frac{27}{16}+\frac94-\frac34\right)\left(-\frac23\right)^{4k}=-\frac3{16}\sum_{k=1}^{25}\left(\frac23\right)^{4k}\end{aligned}

[1.1] n\displaystyle n을 4\displaystyle 4로 나누었을 때의 나머지에 따라 분류해 보자.n=4k−3\displaystyle n=4k-3이면 sin⁡2(4k−3)π4=sin⁡2π4=12\displaystyle \sin^2\frac{(4k-3)\pi}4=\sin^2\frac\pi4=\frac12n=4k−2\displaystyle n=4k-2이면 sin⁡2(4k−2)π4=sin⁡2π2=1\displaystyle \sin^2\frac{(4k-2)\pi}4=\sin^2\frac\pi2=1n=4k−1\displaystyle n=4k-1이면 sin⁡2(4k−1)π4=sin⁡23π4=12\displaystyle \sin^2\frac{(4k-1)\pi}4=\sin^2\frac{3\pi}4=\frac12n=4k\displaystyle n=4k이면 sin⁡24kπ4=sin⁡2π=0\displaystyle \sin^2\frac{4k\pi}4=\sin^2\pi=0이므로∑n=1100(−23)nsin⁡2nπ4=∑k=125{(−23)4k−312+(−23)4k−2+(−23)4k−112}=∑k=125(−2716+94−34)(−23)4k=−316∑k=125(23)4k\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{100}\left(-\frac23\right)^n\sin^2\frac{n\pi}4&=\sum_{k=1}^{25}\left\{\left(-\frac23\right)^{4k-3}\frac12+\left(-\frac23\right)^{4k-2}+\left(-\frac23\right)^{4k-1}\frac12\right\}\\&=\sum_{k=1}^{25}\left(-\frac{27}{16}+\frac94-\frac34\right)\left(-\frac23\right)^{4k}=-\frac3{16}\sum_{k=1}^{25}\left(\frac23\right)^{4k}\end{aligned}이다.

+5점

따라서∑n=1100(−23)nsin⁡2nπ4=−316(23)4{1−(23)100}1−(23)4=365(A−1)\displaystyle \sum_{n=1}^{100}\left(-\frac23\right)^n\sin^2\frac{n\pi}4=-\frac3{16}\frac{\left(\frac23\right)^4\left\{1-\left(\frac23\right)^{100}\right\}}{1-\left(\frac23\right)^4}=\frac3{65}(A-1)이다.

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