수리논술, 이게 다다.

자연계열 1-2번

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문제

[문제 1] 다음 물음에 답하시오.

[1.2] 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다항식 (x+12)(x+22)(x+32)⋯(x+n2)\displaystyle (x+1^2)(x+2^2)(x+3^2)\cdots(x+n^2)의 xn−1\displaystyle x^{n-1}의 계수를 an\displaystyle a_n이라 하고, bn=∫0(2n+1)2πxcos⁡x2n+1 dx\displaystyle b_n=\int_0^{(2n+1)^2\pi}x\cos\frac{x}{2n+1}\,dx라 할 때, 극한 lim⁡n→∞nbnan\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nb_n}{a_n}을 구하시오.

해설강의 준비중

[1.2] n\displaystyle n개의 인수 중에서 (n−1)\displaystyle (n-1)개를 택하여 x\displaystyle x끼리 곱하고 나머지 인수에서 상수항을 곱했을 때 xn−1\displaystyle x^{n-1}의 항이 생기므로an=1+22+32+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)6\displaystyle a_n=1+2^2+3^2+\cdots+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6이다. 부분적분하면bn=∫0(2n+1)2πxcos⁡x2n+1 dx=[(2n+1)xsin⁡x2n+1+(2n+1)2cos⁡x2n+1]0(2n+1)2π=(2n+1)2{cos⁡(2n+1)π−1}=−2(2n+1)2\displaystyle \begin{aligned}b_n&=\int_0^{(2n+1)^2\pi}x\cos\frac{x}{2n+1}\,dx\\&=\Biggl[(2n+1)x\sin\frac{x}{2n+1}+(2n+1)^2\cos\frac{x}{2n+1}\Biggr]_0^{(2n+1)^2\pi}\\&=(2n+1)^2\{\cos(2n+1)\pi-1\}\\&=-2(2n+1)^2\end{aligned}이다. 따라서lim⁡n→∞nbnan=lim⁡n→∞−2n(2n+1)2n(n+1)(2n+1)6=lim⁡n→∞−12(2n+1)n+1=−24\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nb_n}{a_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{-2n(2n+1)^2}{\frac{n(n+1)(2n+1)}6}=\lim_{n\to\infty}\frac{-12(2n+1)}{n+1}=-24이다.

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