수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수리형 3번

문제

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[문제 3-ⅰ]

+5점 · a500=510+(12d500)\displaystyle a_{500}=510+\left(\frac{1}{2}-d_{500}\right), a2027=2036+(32d2027)\displaystyle a_{2027}=2036+\left(\frac{3}{2}-d_{2027}\right)의 꼴로 놓고, 0<dn<16\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{6}을 보이거나, 이에 준하는 방법으로 13<12dn<12\displaystyle \frac{1}{3}<\frac{1}{2}-d_{n}<\frac{1}{2}, 43<32dn<32\displaystyle \frac{4}{3}<\frac{3}{2}-d_{n}<\frac{3}{2}을 올바르게 구할 수 있다.

k=21\displaystyle k=21에 대하여 완전제곱식을 이용하면n2+21n<n2+21n+(212)2=(n+212)2=n+212\displaystyle \sqrt{n^{2}+21n}<\sqrt{n^{2}+21n+\left(\frac{21}{2}\right)^{2}}=\sqrt{\left(n+\frac{21}{2}\right)^{2}}=n+\frac{21}{2}이므로,dn=n+212n2+21n=4414n+212+n2+21n\displaystyle d_{n}=n+\frac{21}{2}-\sqrt{n^{2}+21n}=\frac{\frac{441}{4}}{n+\frac{21}{2}+\sqrt{n^{2}+21n}}이라 하자. 이 경우 an=n+212dn\displaystyle a_{n}=n+\frac{21}{2}-d_{n}이 성립한다. 즉a500=510+(12d500),a2027=2036+(32d2027)\displaystyle a_{500}=510+\left(\frac{1}{2}-d_{500}\right),\quad a_{2027}=2036+\left(\frac{3}{2}-d_{2027}\right)이다. n500\displaystyle n\ge500이면 0<dn4418n4414000<16\displaystyle 0<d_{n}\le\frac{441}{8n}\le\frac{441}{4000}<\frac{1}{6}이므로13<12dn<12,43<32dn<32\displaystyle \frac{1}{3}<\frac{1}{2}-d_{n}<\frac{1}{2},\quad\frac{4}{3}<\frac{3}{2}-d_{n}<\frac{3}{2}이 성립한다.

+5점 · 이를 이용하여 a500\displaystyle a_{500}2\displaystyle 2번 구간에, a2027\displaystyle a_{2027}5\displaystyle 5번 구간에 들어감을 결론낼 수 있다.

따라서a500(510+13,510+12),a2027(2036+43,2036+32)\displaystyle a_{500}\in\left(510+\frac{1}{3},510+\frac{1}{2}\right),\quad a_{2027}\in\left(2036+\frac{4}{3},2036+\frac{3}{2}\right)이다. 그러므로 a500\displaystyle a_{500}2\displaystyle 2번 구간에, a2027\displaystyle a_{2027}5\displaystyle 5번 구간에 들어간다.

[문제 3-ⅱ]

자연수 k\displaystyle k에 대하여dn=n+k2n2+kn=k24n+k2+n2+kn\displaystyle d_{n}=n+\frac{k}{2}-\sqrt{n^{2}+kn}=\frac{\frac{k^{2}}{4}}{n+\frac{k}{2}+\sqrt{n^{2}+kn}}이라 하자. n500\displaystyle n\ge500이면 dn<k28nk24000\displaystyle d_{n}<\frac{k^{2}}{8n}\le\frac{k^{2}}{4000}이므로 k43\displaystyle k\le43일 경우 0<dn<12\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{2}이 성립한다.

번호 배열은 길이가 2\displaystyle 2를 주기로 반복되므로, n2+41n\displaystyle \sqrt{n^{2}+41n}5\displaystyle 5번 구간에 들어가면 모든 정수 l\displaystyle l에 대해 n2+41n2l\displaystyle \sqrt{n^{2}+41n}-2l5\displaystyle 5번 구간들에 들어간다.

+4점 · n\displaystyle n이 짝수이면 an\displaystyle a_{n}5\displaystyle 5번 구간에 들어갈 수 없음을 올바르게 설명할 수 있다.

만약 n\displaystyle n이 짝수이면 n2+41n(n+20)=12dn\displaystyle \sqrt{n^{2}+41n}-(n+20)=\frac{1}{2}-d_{n}이고, n+20\displaystyle n+20이 짝수이므로 an\displaystyle a_{n}이 들어가는 구간은 12dn\displaystyle \frac{1}{2}-d_{n}이 어느 구간에 들어가는지에 따라 결정된다. 그런데 0<12dn<12\displaystyle 0<\frac{1}{2}-d_{n}<\frac{1}{2}이므로 an\displaystyle a_{n}1\displaystyle 1번 또는 2\displaystyle 2번 구간에만 들어갈 수 있다. 즉, n\displaystyle n이 짝수일 경우 an\displaystyle a_{n}5\displaystyle 5번 구간에 들어갈 수 없다.

+6점 · n\displaystyle n이 홀수일 때 an\displaystyle a_{n}5\displaystyle 5번 구간에 들어가기 위한 조건이 0<dn16\displaystyle 0<d_{n}\le\frac{1}{6}임을 구하고, 이를 n\displaystyle n에 대한 조건으로 바꾸어 해당 n\displaystyle n의 개수가 정확히 394\displaystyle 394개 임을 설명할 수 있다.

n\displaystyle n이 홀수이면 n2+41n(n+19)=32dn\displaystyle \sqrt{n^{2}+41n}-(n+19)=\frac{3}{2}-d_{n}이고, n+19\displaystyle n+19가 짝수이므로 an\displaystyle a_{n}이 들어가는 구간은 32dn\displaystyle \frac{3}{2}-d_{n}이 어느 구간에 들어가는지에 따라 결정된다. 1<32dn<32\displaystyle 1<\frac{3}{2}-d_{n}<\frac{3}{2}이므로 an\displaystyle a_{n}5\displaystyle 5번 구간에 들어가기 위해선 4332dn<53\displaystyle \frac{4}{3}\le\frac{3}{2}-d_{n}<\frac{5}{3}이 성립해야 하고, 즉 0<dn16\displaystyle 0<d_{n}\le\frac{1}{6}이 만족되어야 한다. 이 부등식을 n\displaystyle n에 관해 정리하면 37213n\displaystyle \frac{3721}{3}\le n이 되므로, 이를 만족하는 500n2027\displaystyle 500\le n\le2027인 홀수 n\displaystyle n의 개수는 394\displaystyle 394가 된다.따라서 5\displaystyle 5번 구간에 들어가는 an\displaystyle a_{n}의 개수는 394\displaystyle 394개가 된다.

[문제 3-ⅲ]

[문제 3-ⅱ]의 답안에서 21k43\displaystyle 21\le k\le43일 경우 0<dn<12\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{2}이 됨을 확인하였다. n2+kn\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}3\displaystyle 3번 구간에 들어가면 모든 정수 l\displaystyle l에 대해 n2+kn2l\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}-2l3\displaystyle 3번 구간들에 들어간다.

+3점 · n\displaystyle n이 홀수이면 an\displaystyle a_{n}3\displaystyle 3번 구간에 들어갈 수 없음을 올바르게 설명할 수 있다.

만약 n\displaystyle n이 홀수이면 n2+kn(n1)=n2+kn(n+k2)+k2+1=k2+1dn\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}-(n-1)=\sqrt{n^{2}+kn}-\left(n+\frac{k}{2}\right)+\frac{k}{2}+1=\frac{k}{2}+1-d_{n}이고 n1\displaystyle n-1이 짝수이므로 n2+kn\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}3\displaystyle 3번 구간에 들어가려면, k2+1dn\displaystyle \frac{k}{2}+1-d_{n}3\displaystyle 3번 구간에 들어가야 한다.즉, k\displaystyle k4m+1\displaystyle 4m+1, 4m+2\displaystyle 4m+2, 4m+3\displaystyle 4m+3일 경우 각각 32dn\displaystyle \frac{3}{2}-d_{n}, 2dn\displaystyle 2-d_{n}, 12dn\displaystyle \frac{1}{2}-d_{n}이 구간 [23,1)\displaystyle \left[\frac{2}{3},1\right)에 들어가야 하는데 0<dn<12\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{2}이므로 불가능하다.

이제 500n2027\displaystyle 500\le n\le2027인 짝수만 고려하자. 이 경우n2+knn=n2+kn(n+k2)+k2=k2dn\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}-n=\sqrt{n^{2}+kn}-\left(n+\frac{k}{2}\right)+\frac{k}{2}=\frac{k}{2}-d_{n}이고 n\displaystyle n이 짝수이므로 n2+kn\displaystyle \sqrt{n^{2}+kn}3\displaystyle 3번 구간에 들어가려면, k2dn\displaystyle \frac{k}{2}-d_{n}3\displaystyle 3번 구간에 들어가야 한다.

+3점 · m=510A4m+1=m=510A4m+3=0\displaystyle \sum_{m=5}^{10}A_{4m+1}=\sum_{m=5}^{10}A_{4m+3}=0임을 구할 수 있다.

0<dn<12\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{2}이므로, k\displaystyle k가 홀수이면 12dn\displaystyle \frac{1}{2}-d_{n} 또는 32dn\displaystyle \frac{3}{2}-d_{n}이 구간 [23,1)\displaystyle \left[\frac{2}{3},1\right)에 들어가야 하는데 이는 0<dn<12\displaystyle 0<d_{n}<\frac{1}{2}임을 고려하면 불가능하다. 즉, 21k43\displaystyle 21\le k\le43k=4m+1\displaystyle k=4m+1, 4m+3\displaystyle 4m+3에 대해 Ak=0\displaystyle A_{k}=0이 되어 m=510A4m+1=m=510A4m+3=0\displaystyle \sum_{m=5}^{10}A_{4m+1}=\sum_{m=5}^{10}A_{4m+3}=0이다.

+4점 · A22=A26=A30=A34=764\displaystyle A_{22}=A_{26}=A_{30}=A_{34}=764, A38=752\displaystyle A_{38}=752, A42=693\displaystyle A_{42}=693을 올바르게 구하여, 이를 이용하여 최종값이 4501\displaystyle 4501임을 도출할 수 있다.

그리고 k=4m+2\displaystyle k=4m+2인 경우에는 1dn\displaystyle 1-d_{n}이 구간 [23,1)\displaystyle \left[\frac{2}{3},1\right)에 들어가야 하므로 0<dn13\displaystyle 0<d_{n}\le\frac{1}{3}이 만족되어야 한다. 즉 6m2+4m+23n\displaystyle 6m^{2}+4m+\frac{2}{3}\le n이 성립되어야 한다. 이는 각각의 고정된 5m10\displaystyle 5\le m\le10에 대하여 500n2026\displaystyle 500\le n\le2026인 짝수 중 6m2+4m+1n\displaystyle 6m^{2}+4m+1\le n을 만족하는 n\displaystyle n의 개수가 A4m+2\displaystyle A_{4m+2}가 된다. m=5,6,7,8\displaystyle m=5,6,7,8인 경우 6m2+4m+1<500\displaystyle 6m^{2}+4m+1<500이므로 A22=A26=A30=A34=764\displaystyle A_{22}=A_{26}=A_{30}=A_{34}=764이고, 9m10\displaystyle 9\le m\le10인 경우 6m2+4m+1500\displaystyle 6m^{2}+4m+1\ge500이므로 A4m+2=10133m22m\displaystyle A_{4m+2}=1013-3m^{2}-2m이고, 따라서 A38=752\displaystyle A_{38}=752, A42=693\displaystyle A_{42}=693이다. 그러므로m=510(A4m+1+A4m+2+A4m+3)=m=510A4m+2=4501\displaystyle \sum_{m=5}^{10}\left(A_{4m+1}+A_{4m+2}+A_{4m+3}\right)=\sum_{m=5}^{10}A_{4m+2}=4501이다.

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