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자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
4-1 · 자연수의 거듭제곱으로 주어진 수열의 합을 이용하여 주어진 영역에 포함된 정수점들의 개수를 계산할 수 있는지 평가한다.

[4-1]a1=1\displaystyle a_1=1은 분명하다. 이제 n\displaystyle n2\displaystyle 2이상의 자연수라 하자. 자연수 i=1,2,,n1\displaystyle i=1,2,\cdots,n-1에 대하여 자연수 k\displaystyle k[k]=i\displaystyle [\sqrt k]=i이기 위한 필요충분조건은 i2k<(i+1)2\displaystyle i^2\le k<(i+1)^2이다. 그러므로 주어진 영역에 속하면서 x\displaystyle x좌표가 k\displaystyle k(단, i2k<(i+1)2\displaystyle i^2\le k<(i+1)^2)인 정수점의 개수는 i\displaystyle i개이며 i2k<(i+1)2\displaystyle i^2\le k<(i+1)^2를 만족하는 자연수 k\displaystyle k의 개수는 (2i+1)\displaystyle (2i+1)이므로an=i=1n1(2i+1)i+n=4n33n2+5n6(n은 2이상의 자연수)\displaystyle a_n=\sum_{i=1}^{n-1}(2i+1)i+n=\frac{4n^3-3n^2+5n}6\quad(n\text{은 }2\text{이상의 자연수})이다.a1=1=4n33n2+5n6n=1\displaystyle a_1=1=\left.\frac{4n^3-3n^2+5n}6\right|_{n=1}이므로 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여an=4n33n2+5n6\displaystyle a_n=\frac{4n^3-3n^2+5n}6이다.

4-2 · 이항정리를 이해하고 이를 이용하여 여러 가지 문제를 해결할 수 있는지 평가한다.

[4-2]문항 [4-1]에 의하여(*) k=1naknCkk(k+1)=k=1n4k23k+56(k+1)nCk=k=1n4k(k+1)7(k+1)+126(k+1)nCk=k=1n(2k376+2k+1)nCk=23k=1nknCk76k=1nnCk+2k=1nnCkk+1\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^n\frac{a_k\cdot{}_nC_k}{k(k+1)}&=\sum_{k=1}^n\frac{4k^2-3k+5}{6(k+1)}{}_nC_k\\&=\sum_{k=1}^n\frac{4k(k+1)-7(k+1)+12}{6(k+1)}{}_nC_k\\&=\sum_{k=1}^n\left(\frac{2k}3-\frac76+\frac2{k+1}\right){}_nC_k\\&=\frac23\sum_{k=1}^nk\cdot{}_nC_k-\frac76\sum_{k=1}^n{}_nC_k+2\sum_{k=1}^n\frac{{}_nC_k}{k+1}\end{aligned}이다. 제시문 [가]에 의해 등식 2n=k=0nnCk\displaystyle 2^n=\sum_{k=0}^n{}_nC_k이 성립하므로등식 (i): k=1nnCk=2n1\displaystyle \sum_{k=1}^n{}_nC_k=2^n-1을 얻는다. 또한 전개식 (1+x)n=k=0nnCkxk\displaystyle (1+x)^n=\sum_{k=0}^n{}_nC_kx^k의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분한 후 x=1\displaystyle x=1을 대입하면등식(ii): n2n1=k=1nknCk\displaystyle n\cdot2^{n-1}=\sum_{k=1}^nk\cdot{}_nC_k를 이끌어 낼 수 있다. 한편, 등식 01(1+x)ndx=01k=0nnCkxkdx\displaystyle \int_0^1(1+x)^n\,dx=\int_0^1\sum_{k=0}^n{}_nC_kx^k\,dx로부터 2n+11n+1=k=0nnCkk+1\displaystyle \frac{2^{n+1}-1}{n+1}=\sum_{k=0}^n\frac{{}_nC_k}{k+1}을 얻고, 이로부터등식(iii): k=1nnCkk+1=2n+11n+11=2n+1n2n+1\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac{{}_nC_k}{k+1}=\frac{2^{n+1}-1}{n+1}-1=\frac{2^{n+1}-n-2}{n+1}를 얻는다. 등식 (i), (ii), (iii)을 (*)에 대입하면k=1naknCkk(k+1)=2n2n137(2n1)6+2(2n+1n2)n+1=(2n25n+17)2n5n176(n+1)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^n\frac{a_k\cdot{}_nC_k}{k(k+1)}&=\frac{2n\cdot2^{n-1}}3-\frac{7(2^n-1)}6+\frac{2(2^{n+1}-n-2)}{n+1}\\&=\frac{(2n^2-5n+17)2^n-5n-17}{6(n+1)}\end{aligned}이므로A(n)=(6(n+1)k=1naknCkk(k+1)+5n+17)2n=2n25n+17\displaystyle A(n)=\left(6(n+1)\sum_{k=1}^n\frac{a_k\cdot{}_nC_k}{k(k+1)}+5n+17\right)\cdot2^{-n}=2n^2-5n+17이다.

4-3 · 이항정리를 통해 이항계수 사이에 성립하는 관계를 이끌어낼 수 있는지 평가한다.

[4-3]등식nCknkCl=n!k!(nk)!(nk)!l!(nkl)!=n!l!(nl)!(nl)!k!(nlk)!=nClnlCk\displaystyle {}_nC_k\cdot{}_{n-k}C_l=\frac{n!}{k!(n-k)!}\cdot\frac{(n-k)!}{l!(n-k-l)!}=\frac{n!}{l!(n-l)!}\cdot\frac{(n-l)!}{k!(n-l-k)!}={}_nC_l\cdot{}_{n-l}C_k가 성립하므로(∗∗) an=k=1nl(1)nklnCknkCl=nClk=1nl(1)nlknlCk\displaystyle a_n=\sum_{k=1}^{n-l}(-1)^{n-k-l}{}_nC_k\cdot{}_{n-k}C_l={}_nC_l\sum_{k=1}^{n-l}(-1)^{n-l-k}{}_{n-l}C_k이다. 한편, 다항식 (x+y)nl\displaystyle (x+y)^{n-l}의 이항정리(x+y)nl=k=0nlnlCkxkynlk\displaystyle (x+y)^{n-l}=\sum_{k=0}^{n-l}{}_{n-l}C_kx^ky^{n-l-k}x=1,y=1\displaystyle x=1,y=-1을 대입하면 k=0nl(1)nlknlCk=0\displaystyle \sum_{k=0}^{n-l}(-1)^{n-l-k}{}_{n-l}C_k=0이므로k=1nl(1)nlknlCk=(1)nl+1\displaystyle \sum_{k=1}^{n-l}(-1)^{n-l-k}{}_{n-l}C_k=(-1)^{n-l+1}임을 알 수 있다. 이 결과를 (∗∗)에 대입하면an=(1)nl+1nCl\displaystyle a_n=(-1)^{n-l+1}{}_nC_l이 된다. 그러므로limn(1)na2nan=limn2nClnCl=limn2n(2n1)(2n(l1))n(n1)(n(l1))=limn2(21n)(2l1n)1(11n)(1l1n)=2l\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}(-1)^n\frac{a_{2n}}{a_n}&=\lim_{n\to\infty}\frac{{}_{2n}C_l}{{}_nC_l}\\&=\lim_{n\to\infty}\frac{2n(2n-1)\cdots(2n-(l-1))}{n(n-1)\cdots(n-(l-1))}\\&=\lim_{n\to\infty}\frac{2\cdot\left(2-\frac1n\right)\cdots\left(2-\frac{l-1}n\right)}{1\cdot\left(1-\frac1n\right)\cdots\left(1-\frac{l-1}n\right)}\\&=2^l\end{aligned}이다.

4-4 · 주어진 문제를 중복조합으로 해석할 수 있는 능력이 있는지 평가한다.

[4-4]A역과 B역 사이에 있는 r\displaystyle r개의 역(A, B역 제외)을 A역에서 B역 방향으로 순서대로 1번역, 2번역, \displaystyle \cdots, r\displaystyle r번역이라고 부르자. 편의상 B역은 (r+1)\displaystyle (r+1)번역이라 하자. 이제 x1\displaystyle x_1을 첫 번째 도착역의 번호, xi\displaystyle x_i(i=2,3,,n,n+1\displaystyle i=2,3,\cdots,n,n+1)를 i\displaystyle i번째 도착한 역의 번호에서 (i1)\displaystyle (i-1)번째 도착한 역의 번호를 뺀 값이라 하자. 여기서 (n+1)\displaystyle (n+1)번째 도착역은 B역이라고 하자. 문제의 가정에 의해 자연수 i=2,3,,n\displaystyle i=2,3,\cdots,n에 대해 (i1)\displaystyle (i-1)번째 도착한 역과 i\displaystyle i번째 도착한 역 사이에는 적어도 (i1)\displaystyle (i-1)개의 역이 있으므로 xii\displaystyle x_i\ge i임을 알 수 있다. 그러면x1+x2++xn+xn+1=r+1\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_n+x_{n+1}=r+1(단, xii\displaystyle x_i\ge i(1in\displaystyle 1\le i\le n)이고 xn+11\displaystyle x_{n+1}\ge1)이제 xi=yi+i\displaystyle x_i=y_i+i(1in\displaystyle 1\le i\le n), xn+1=yn+1+1\displaystyle x_{n+1}=y_{n+1}+1라고 두면 위 식은y1+y2++yn+yn+1=r+1(n(n+1)2+1)=rn(n+1)2\displaystyle y_1+y_2+\cdots+y_n+y_{n+1}=r+1-\left(\frac{n(n+1)}2+1\right)=r-\frac{n(n+1)}2(단, yi0\displaystyle y_i\ge0(1in+1\displaystyle 1\le i\le n+1))이 된다. 그러므로 제시문 [나]에 의해 구하는 답은 n+1Hrn(n+1)2\displaystyle {}_{n+1}H_{r-\frac{n(n+1)}2}이다. 한편n+1Hrn(n+1)2=rn(n+1)2+nCrn(n+1)2=rn(n+1)2+nCn=rn(n+1)2+1Hn\displaystyle {}_{n+1}H_{r-\frac{n(n+1)}2}={}_{r-\frac{n(n+1)}2+n}C_{r-\frac{n(n+1)}2}={}_{r-\frac{n(n+1)}2+n}C_n={}_{r-\frac{n(n+1)}2+1}H_n이므로 rn(n+1)2+1Hn\displaystyle {}_{r-\frac{n(n+1)}2+1}H_n역시 답이 된다.

평가방법: 구간별 등급 부여인원을 준수하여 상대평가

평가배점: 소문항을 모두 포함한 문제를 10점 만점으로 0~10등급 사이에서의 최종 평가등급을 부여함

답안이나 답안지 여백에 문제와 관계없는 불필요한 낙서나 이와 유사한 표식이 있는 경우 과락처리함

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