수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

다음 질문에 답하시오. [총25점]

(1) f(x)=log⁡2x\displaystyle f(x)=\log_2x, g(x)=log⁡4x\displaystyle g(x)=\log_4x이고 n∈{x∣1≤x≤10}\displaystyle n\in\{x\mid1\le x\le10\}인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 집합 An\displaystyle A_n을An={k∣g(n)≤k≤f(n)인 정수}\displaystyle A_n=\{k\mid g(n)\le k\le f(n)\text{인 정수}\}으로 정의할 때, A1∪A2∪⋯∪A10\displaystyle A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_{10}의 원소 개수를 구하시오. [7점]

(2) Nk\displaystyle N_k를 klog⁡n2\displaystyle k\log_n2가 자연수가 되는 2보다 크거나 같은 자연수 n\displaystyle n의 개수라 할 때, 1≤k≤10\displaystyle 1\le k\le10인 각각의 자연수 k\displaystyle k에 대하여 Nk\displaystyle N_k를 구하시오. [10점]

(3) 위 (2)의 Nk\displaystyle N_k에 대하여 ∑k=1∞1k⋅N2k+1\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}\frac1{k\cdot N_{2^{k+1}}}의 값을 구하시오. [8점]

해설강의 준비중
+7점 · (1) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(1)① f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)는 연속인 증가함수이고 f(1)=0\displaystyle f(1)=0, f(2)=1\displaystyle f(2)=1, f(4)=2\displaystyle f(4)=2, f(8)=3\displaystyle f(8)=3, g(1)=0\displaystyle g(1)=0, g(4)=1\displaystyle g(4)=1이다.② 따라서A1={0}\displaystyle A_1=\{0\}, A2={1}\displaystyle A_2=\{1\}, A3={1}\displaystyle A_3=\{1\}, A4={1,2}\displaystyle A_4=\{1,2\}, A5={2}\displaystyle A_5=\{2\},A6={2}\displaystyle A_6=\{2\}, A7={2}\displaystyle A_7=\{2\}, A8={2,3}\displaystyle A_8=\{2,3\}, A9={2,3}\displaystyle A_9=\{2,3\}, A10={2,3}\displaystyle A_{10}=\{2,3\}이 성립하고③ A1∪A2∪⋯∪A10={0,1,2,3}\displaystyle A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_{10}=\{0,1,2,3\}이므로④ 원소 개수는 4개이다.

+10점 · (2) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(2)① 자연수 m\displaystyle m에 대하여 klog⁡n2=m\displaystyle k\log_n2=m이라면 nm=2k\displaystyle n^m=2^k가 성립한다.② 따라서 n\displaystyle n은 2k\displaystyle 2^k의 약수이므로 n=2l\displaystyle n=2^l형태이고 (2l)m=2k\displaystyle (2^l)^m=2^k로부터 l\displaystyle l은 k\displaystyle k의 약수이어야 한다.③ 그러므로 Nk\displaystyle N_k는 k\displaystyle k의 약수의 개수와 같고④ 이로부터N1=1\displaystyle N_1=1, N2=2\displaystyle N_2=2, N3=2\displaystyle N_3=2, N4=3\displaystyle N_4=3, N5=2\displaystyle N_5=2, N6=4\displaystyle N_6=4, N7=2\displaystyle N_7=2, N8=4\displaystyle N_8=4, N9=3\displaystyle N_9=3, N10=4\displaystyle N_{10}=4이다.

+8점 · (3) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(3)① (2)의 논의로부터 N2k+1\displaystyle N_{2^{k+1}}는 2k+1\displaystyle 2^{k+1}의 약수의 개수이므로 k+2\displaystyle k+2이다.따라서② ∑k=1∞1k⋅N2k+1=∑k=1∞1k⋅(k+2)\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}\frac1{k\cdot N_{2^{k+1}}}=\sum_{k=1}^{\infty}\frac1{k\cdot(k+2)}③ =∑k=1∞12(1k−1k+2)=lim⁡n→∞∑k=1n12(1k−1k+2)\displaystyle \begin{aligned}&=\sum_{k=1}^{\infty}\frac12\left(\frac1k-\frac1{k+2}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac12\left(\frac1k-\frac1{k+2}\right)\end{aligned}④ =lim⁡n→∞12(1+12−1n+1−1n+2)=34\displaystyle =\lim_{n\to\infty}\frac12\left(1+\frac12-\frac1{n+1}-\frac1{n+2}\right)=\frac34이다.

소문항등급채점 기준
(1)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(1)2등급③단계까지의 계산이 맞았는데 답을 잘못 구한 경우
(1)3등급①~③단계 계산에서 1개의 실수가 있는 경우
(1)4등급①~③단계 계산에서 2개의 실수가 있는 경우
(1)5등급①~③단계 계산에서 3개의 실수가 있는 경우
(1)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(1)7등급백지 답안
(2)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(2)2등급①~③단계 과정을 옳게 서술하고 ④에서 1개의 실수가 있는 경우
(2)3등급①~③단계 과정을 옳게 서술하고 ④에서 2~3개의 실수가 있는 경우
(2)4등급①~③단계에 대한 서술을 통해 ③의 결론을 도출했지만 논리적 오류가 있는 경우
(2)5등급①~③단계를 시도했지만 올바른 추측을 하지 못한 경우
(2)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(2)7등급백지 답안
(3)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(3)2등급④단계까지 옳게 접근했으나 답이 틀린 경우
(3)3등급③단계까지 옳게 서술한 경우
(3)4등급②단계까지 옳게 서술한 경우
(3)5등급①단계를 옳게 서술한 경우
(3)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(3)7등급백지 답안

* 각 문제에 대하여 아래에 제시된 예시답안과 같이 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.이후 등급을 해당 문제의 점수로 환산하여 총점을 계산한다.

* 도출 과정이 옳으나 계산 결과가 정확히 일치하지 않으면 1등급을 감점한다.

* 답안을 서술하면서 식만 나열하고, 논리적인 설명이 없으면 1등급을 감점한다.

* 백지답안은 7등급을 부여한다.

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