수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

다음 논제에 답하시오. (20점)

<그림 2>와 같이, 유리함수 y=1xk\displaystyle y=\frac1{x^k}의 그래프 위의 점 Pn(n,1nk)\displaystyle \mathrm P_n\left(n,\frac1{n^k}\right)이 있다. (단, k\displaystyle k, n\displaystyle n은 자연수이다.) 원점 O\displaystyle \mathrm O와 점 Pn\displaystyle \mathrm P_n을 이은 선분이 y\displaystyle y축의 양의 방향과 이루는 각을 θn\displaystyle \theta_n이라 할 때,lim⁡n→∞{anbtan⁡(θn+1−θn)}=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\{an^b\tan(\theta_{n+1}-\theta_n)\}=1을 만족하는 a\displaystyle a, b\displaystyle b를 k\displaystyle k에 대한 식으로 각각 나타내시오.

y=1/x^k 위의 Pn과 원점을 이은 선분이 y축과 이루는 각. 그림 2.
해설강의 준비중

tan⁡θn=n1nk=nk+1\displaystyle \tan\theta_n=\frac n{\frac1{n^k}}=n^{k+1} 이므로 탄젠트함수의 덧셈정리와 이항정리에 의해 다음 식을 얻는다.tan⁡(θn+1−θn)=tan⁡θn+1−tan⁡θn1+tan⁡θn+1tan⁡θn=(n+1)k+1−nk+11+(n+1)k+1nk+1=(k+1C0nk+1+k+1C1nk+⋯+k+1Ck+1)−nk+11+(n+1)k+1nk+1=k+1C1nk+⋯+k+1Ck+11+(n+1)k+1nk+1\displaystyle \begin{aligned}\tan(\theta_{n+1}-\theta_n)&=\frac{\tan\theta_{n+1}-\tan\theta_n}{1+\tan\theta_{n+1}\tan\theta_n}=\frac{(n+1)^{k+1}-n^{k+1}}{1+(n+1)^{k+1}n^{k+1}}\\&=\frac{({}_{k+1}\mathrm C_0n^{k+1}+{}_{k+1}\mathrm C_1n^k+\cdots+{}_{k+1}\mathrm C_{k+1})-n^{k+1}}{1+(n+1)^{k+1}n^{k+1}}\\&=\frac{{}_{k+1}\mathrm C_1n^k+\cdots+{}_{k+1}\mathrm C_{k+1}}{1+(n+1)^{k+1}n^{k+1}}\end{aligned}주어진 식에 이를 대입하면anbtan⁡(θn+1−θn)=a(k+1C1nk+b+⋯+k+1Ck+1nb)1+(n+1)k+1nk+1\displaystyle an^b\tan(\theta_{n+1}-\theta_n)=\frac{a({}_{k+1}\mathrm C_1n^{k+b}+\cdots+{}_{k+1}\mathrm C_{k+1}n^b)}{1+(n+1)^{k+1}n^{k+1}}이다. 위 식의 우변에서 분자와 분모의 최고차항이 각각 a(k+1)nk+b\displaystyle a(k+1)n^{k+b}와 n2k+2\displaystyle n^{2k+2}이므로, 극한값 lim⁡n→∞{anbtan⁡(θn+1−θn)}\displaystyle \lim_{n\to\infty}\{an^b\tan(\theta_{n+1}-\theta_n)\}이 0이 아닌 상수일 조건은 a≠0\displaystyle a\ne0, k+b=2k+2\displaystyle k+b=2k+2이고, 이때의 극한값은 a(k+1)=1\displaystyle a(k+1)=1이다. 따라서 a\displaystyle a, b\displaystyle b를 k\displaystyle k에 대한 식으로 나타내면 다음과 같다.a=1k+1,b=k+2\displaystyle a=\frac1{k+1},\quad b=k+2

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