문제 2-1 − x 2 + 4 x = x \displaystyle -x^2+4x=x − x 2 + 4 x = x 에서 x = 3 \displaystyle x=3 x = 3 이므로 점 A \displaystyle A A 의 좌표는 ( 3 , 3 ) \displaystyle (3,3) ( 3 , 3 ) 이다.점 P k \displaystyle P_k P k (k = 1 , 2 , 3 , ⋯ , n − 1 \displaystyle k=1,2,3,\cdots,n-1 k = 1 , 2 , 3 , ⋯ , n − 1 )에서 x \displaystyle x x 축에 내린 수선의 발을 R k \displaystyle R_k R k 라 하면 R k ( 3 k n , 0 ) \displaystyle R_k\left(\frac{3k}n,0\right) R k ( n 3 k , 0 ) 이므로 P k ( 3 k n , 3 k n ) \displaystyle P_k\left(\frac{3k}n,\frac{3k}n\right) P k ( n 3 k , n 3 k ) , Q k ( 3 k n , − ( 3 k n ) 2 + 4 ( 3 k n ) ) \displaystyle Q_k\left(\frac{3k}n,-\left(\frac{3k}n\right)^2+4\left(\frac{3k}n\right)\right) Q k ( n 3 k , − ( n 3 k ) 2 + 4 ( n 3 k ) ) 이다. 삼각형 O P k Q k \displaystyle OP_kQ_k O P k Q k 의 넓이 S k \displaystyle S_k S k 는 S k = 1 2 × P k Q k ‾ × O R k ‾ = 1 2 { − ( 3 k n ) 2 + 4 ( 3 k n ) − 3 k n } × 3 k n = 1 2 { − ( 3 k n ) 2 + 3 ( 3 k n ) } 3 k n = 1 2 { − ( 3 k n ) 3 + 3 ( 3 k n ) 2 } \displaystyle \begin{aligned}S_k&=\frac12\times\overline{P_kQ_k}\times\overline{OR_k}\\&=\frac12\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^2+4\left(\frac{3k}n\right)-\frac{3k}n\right\}\times\frac{3k}n\\&=\frac12\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^2+3\left(\frac{3k}n\right)\right\}\frac{3k}n\\&=\frac12\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^3+3\left(\frac{3k}n\right)^2\right\}\end{aligned} S k = 2 1 × P k Q k × O R k = 2 1 { − ( n 3 k ) 2 + 4 ( n 3 k ) − n 3 k } × n 3 k = 2 1 { − ( n 3 k ) 2 + 3 ( n 3 k ) } n 3 k = 2 1 { − ( n 3 k ) 3 + 3 ( n 3 k ) 2 }
lim n → ∞ 1 n ∑ k = 1 n − 1 S k = 1 2 lim n → ∞ ∑ k = 1 n − 1 { − ( 3 k n ) 3 + 3 ( 3 k n ) 2 } 1 n = 1 2 lim n → ∞ ∑ k = 1 n { − ( 3 k n ) 3 + 3 ( 3 k n ) 2 } 1 n = 1 2 × 1 3 lim n → ∞ ∑ k = 1 n { − ( 3 k n ) 3 + 3 ( 3 k n ) 2 } 3 n = 1 6 ∫ 0 3 ( − x 3 + 3 x 2 ) d x = 1 6 [ − 1 4 x 4 + x 3 ] 0 3 = 9 8 \displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^{n-1}S_k&=\frac12\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n-1}\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^3+3\left(\frac{3k}n\right)^2\right\}\frac1n\\&=\frac12\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^3+3\left(\frac{3k}n\right)^2\right\}\frac1n\\&=\frac12\times\frac13\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\left\{-\left(\frac{3k}n\right)^3+3\left(\frac{3k}n\right)^2\right\}\frac3n\\&=\frac16\int_0^3(-x^3+3x^2)\,dx\\&=\frac16\Biggl[-\frac14x^4+x^3\Biggr]_0^3=\frac98\end{aligned} n → ∞ lim n 1 k = 1 ∑ n − 1 S k = 2 1 n → ∞ lim k = 1 ∑ n − 1 { − ( n 3 k ) 3 + 3 ( n 3 k ) 2 } n 1 = 2 1 n → ∞ lim k = 1 ∑ n { − ( n 3 k ) 3 + 3 ( n 3 k ) 2 } n 1 = 2 1 × 3 1 n → ∞ lim k = 1 ∑ n { − ( n 3 k ) 3 + 3 ( n 3 k ) 2 } n 3 = 6 1 ∫ 0 3 ( − x 3 + 3 x 2 ) d x = 6 1 [ − 4 1 x 4 + x 3 ] 0 3 = 8 9
문제 2-2 (1) 6 \displaystyle 6 6 이상의 자연수 k \displaystyle k k 에 대하여 방정식 x 1 + x 2 + ⋯ + x 6 = k \displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_6=k x 1 + x 2 + ⋯ + x 6 = k 을 만족시키는 자연수 x 1 , x 2 , ⋯ , x 6 \displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_6 x 1 , x 2 , ⋯ , x 6 의 모든 순서쌍 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x 6 ) \displaystyle (x_1,x_2,\cdots,x_6) ( x 1 , x 2 , ⋯ , x 6 ) 의 개수는 음이 아닌 정수 x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ \displaystyle x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime} x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ 에 대하여 x 1 = 1 + x 1 ′ , x 2 = 1 + x 2 ′ , ⋯ , x 6 = 1 + x 6 ′ \displaystyle x_1=1+x_1^{\prime},x_2=1+x_2^{\prime},\cdots,x_6=1+x_6^{\prime} x 1 = 1 + x 1 ′ , x 2 = 1 + x 2 ′ , ⋯ , x 6 = 1 + x 6 ′ 라 하고 x 1 + x 2 + ⋯ + x 6 = k \displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_6=k x 1 + x 2 + ⋯ + x 6 = k 에 대입하면 x 1 ′ + x 2 ′ + ⋯ + x 6 ′ = k − 6 \displaystyle x_1^{\prime}+x_2^{\prime}+\cdots+x_6^{\prime}=k-6 x 1 ′ + x 2 ′ + ⋯ + x 6 ′ = k − 6 이므로 방정식 x 1 ′ + x 2 ′ + ⋯ + x 6 ′ = k − 6 \displaystyle x_1^{\prime}+x_2^{\prime}+\cdots+x_6^{\prime}=k-6 x 1 ′ + x 2 ′ + ⋯ + x 6 ′ = k − 6 을 만족시키는 음이 아닌 정수 x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ \displaystyle x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime} x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ 의 모든 순서쌍 ( x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ ) \displaystyle (x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime}) ( x 1 ′ , x 2 ′ , ⋯ , x 6 ′ ) 의 개수와 같다. 따라서 N ( k ) \displaystyle N(k) N ( k ) 는 서로 다른 6 \displaystyle 6 6 개에서 중복을 허락하여 ( k − 6 ) \displaystyle (k-6) ( k − 6 ) 개를 택하는 중복조합의 수 6 H k − 6 \displaystyle {}_6\mathrm H_{k-6} 6 H k − 6 이다. 그러므로 N ( k ) = 6 H k − 6 = k − 1 C 5 \displaystyle N(k)={}_6\mathrm H_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_5 N ( k ) = 6 H k − 6 = k − 1 C 5
(2) N ( k ) = 6 H k − 6 = k − 1 C k − 6 = k − 1 C 5 \displaystyle N(k)={}_6\mathrm H_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_5 N ( k ) = 6 H k − 6 = k − 1 C k − 6 = k − 1 C 5 이므로 N ( 6 ) = 6 H 0 = 5 C 0 = 5 C 5 , N ( 7 ) = 6 H 1 = 6 C 1 = 6 C 5 , \displaystyle N(6)={}_6\mathrm H_0={}_5\mathrm C_0={}_5\mathrm C_5,\ N(7)={}_6\mathrm H_1={}_6\mathrm C_1={}_6\mathrm C_5, N ( 6 ) = 6 H 0 = 5 C 0 = 5 C 5 , N ( 7 ) = 6 H 1 = 6 C 1 = 6 C 5 , N ( 8 ) = 6 H 2 = 7 C 2 = 7 C 5 , ⋯ , N ( 20 ) = 6 H 14 = 19 C 14 = 19 C 5 \displaystyle N(8)={}_6\mathrm H_2={}_7\mathrm C_2={}_7\mathrm C_5,\cdots,\ N(20)={}_6\mathrm H_{14}={}_{19}\mathrm C_{14}={}_{19}\mathrm C_5 N ( 8 ) = 6 H 2 = 7 C 2 = 7 C 5 , ⋯ , N ( 20 ) = 6 H 14 = 19 C 14 = 19 C 5 ∑ k = 6 20 N ( k ) = N ( 6 ) + N ( 7 ) + N ( 8 ) + ⋯ + N ( 20 ) = 5 C 0 + 6 C 1 + 7 C 2 + ⋯ + 19 C 14 = 6 C 0 + 6 C 1 + 7 C 2 + ⋯ + 19 C 14 = 7 C 1 + 7 C 2 + 8 C 3 + ⋯ + 19 C 14 (제시문 (가)에 의하여) = 8 C 2 + 8 C 3 + ⋯ + 19 C 14 ⋮ = 19 C 13 + 19 C 14 = 20 C 14 = 20 C 6 \displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=6}^{20}N(k)&=N(6)+N(7)+N(8)+\cdots+N(20)\\&={}_5\mathrm C_0+{}_6\mathrm C_1+{}_7\mathrm C_2+\cdots+{}_{19}\mathrm C_{14}\\&={}_6\mathrm C_0+{}_6\mathrm C_1+{}_7\mathrm C_2+\cdots+{}_{19}\mathrm C_{14}\\&={}_7\mathrm C_1+{}_7\mathrm C_2+{}_8\mathrm C_3+\cdots+{}_{19}\mathrm C_{14}\quad\text{(제시문 (가)에 의하여)}\\&={}_8\mathrm C_2+{}_8\mathrm C_3+\cdots+{}_{19}\mathrm C_{14}\\&\quad\vdots\\&={}_{19}\mathrm C_{13}+{}_{19}\mathrm C_{14}\\&={}_{20}\mathrm C_{14}={}_{20}\mathrm C_6\end{aligned} k = 6 ∑ 20 N ( k ) = N ( 6 ) + N ( 7 ) + N ( 8 ) + ⋯ + N ( 20 ) = 5 C 0 + 6 C 1 + 7 C 2 + ⋯ + 19 C 14 = 6 C 0 + 6 C 1 + 7 C 2 + ⋯ + 19 C 14 = 7 C 1 + 7 C 2 + 8 C 3 + ⋯ + 19 C 14 ( 제시문 ( 가 ) 에 의하여 ) = 8 C 2 + 8 C 3 + ⋯ + 19 C 14 ⋮ = 19 C 13 + 19 C 14 = 20 C 14 = 20 C 6 20 C 14 = 20 C 6 \displaystyle {}_{20}\mathrm C_{14}={}_{20}\mathrm C_6 20 C 14 = 20 C 6 이므로 r = 14 \displaystyle r=14 r = 14 또는 r = 6 \displaystyle r=6 r = 6 이다.
문제 2-3 (1) 6 \displaystyle 6 6 의 약수는 1 , 2 , 3 , 6 \displaystyle 1,2,3,6 1 , 2 , 3 , 6 이므로 한 개의 주사위를 던져서 6 \displaystyle 6 6 의 약수의 눈이 나올 확률은 4 6 = 2 3 \displaystyle \frac46=\frac23 6 4 = 3 2 이고, 6 \displaystyle 6 6 의 약수의 눈이 나오지 않을 확률은 1 − 2 3 = 1 3 \displaystyle 1-\frac23=\frac13 1 − 3 2 = 3 1 이다. 한 개의 주사위를 n \displaystyle n n 번 던지는 시행에서 ( n − 1 ) \displaystyle (n-1) ( n − 1 ) 번째까지 6 \displaystyle 6 6 의 약수의 눈이 나오지 않고 n \displaystyle n n 번째 처음으로 6 \displaystyle 6 6 의 약수의 눈이 나와야 하므로 P n = ( 2 3 ) ( 1 3 ) n − 1 \displaystyle P_n=\left(\frac23\right)\left(\frac13\right)^{n-1} P n = ( 3 2 ) ( 3 1 ) n − 1 이다.
(2) ∑ k = 1 n 3 ( 2 k + 3 ) 2 k ( k + 1 ) P k = ∑ k = 1 n { 3 ( 2 k + 3 ) 2 k ( k + 1 ) × 2 3 ( 1 3 ) k − 1 } = ∑ k = 1 n { 2 k + 3 k ( k + 1 ) ( 1 3 ) k − 1 } = ∑ k = 1 n [ { 2 k k ( k + 1 ) + 3 k ( k + 1 ) } ( 1 3 ) k − 1 ] = ∑ k = 1 n [ { 2 k + 1 + 3 ( 1 k − 1 k + 1 ) } ( 1 3 ) k − 1 ] (제시문 (가)에 의하여) = ∑ k = 1 n ( 3 k − 1 k + 1 ) ( 1 3 ) k − 1 = ∑ k = 1 n { 1 k × 3 k − 2 − 1 ( k + 1 ) × 3 k − 1 } = ( 3 − 1 2 ) + ( 1 2 − 1 3 × 3 ) + ( 1 3 × 3 − 1 4 × 3 2 ) + ⋯ + { 1 n × 3 n − 2 − 1 ( n + 1 ) × 3 n − 1 } = 3 − 1 ( n + 1 ) × 3 n − 1 \displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^n\frac{3(2k+3)}{2k(k+1)}P_k&=\sum_{k=1}^n\left\{\frac{3(2k+3)}{2k(k+1)}\times\frac23\left(\frac13\right)^{k-1}\right\}\\&=\sum_{k=1}^n\left\{\frac{2k+3}{k(k+1)}\left(\frac13\right)^{k-1}\right\}\\&=\sum_{k=1}^n\left[\left\{\frac{2k}{k(k+1)}+\frac3{k(k+1)}\right\}\left(\frac13\right)^{k-1}\right]\\&=\sum_{k=1}^n\left[\left\{\frac2{k+1}+3\left(\frac1k-\frac1{k+1}\right)\right\}\left(\frac13\right)^{k-1}\right]\quad\text{(제시문 (가)에 의하여)}\\&=\sum_{k=1}^n\left(\frac3k-\frac1{k+1}\right)\left(\frac13\right)^{k-1}\\&=\sum_{k=1}^n\left\{\frac1{k\times3^{k-2}}-\frac1{(k+1)\times3^{k-1}}\right\}\\&=\left(3-\frac12\right)+\left(\frac12-\frac1{3\times3}\right)+\left(\frac1{3\times3}-\frac1{4\times3^2}\right)+\cdots+\left\{\frac1{n\times3^{n-2}}-\frac1{(n+1)\times3^{n-1}}\right\}\\&=3-\frac1{(n+1)\times3^{n-1}}\end{aligned} k = 1 ∑ n 2 k ( k + 1 ) 3 ( 2 k + 3 ) P k = k = 1 ∑ n { 2 k ( k + 1 ) 3 ( 2 k + 3 ) × 3 2 ( 3 1 ) k − 1 } = k = 1 ∑ n { k ( k + 1 ) 2 k + 3 ( 3 1 ) k − 1 } = k = 1 ∑ n [ { k ( k + 1 ) 2 k + k ( k + 1 ) 3 } ( 3 1 ) k − 1 ] = k = 1 ∑ n [ { k + 1 2 + 3 ( k 1 − k + 1 1 ) } ( 3 1 ) k − 1 ] ( 제시문 ( 가 ) 에 의하여 ) = k = 1 ∑ n ( k 3 − k + 1 1 ) ( 3 1 ) k − 1 = k = 1 ∑ n { k × 3 k − 2 1 − ( k + 1 ) × 3 k − 1 1 } = ( 3 − 2 1 ) + ( 2 1 − 3 × 3 1 ) + ( 3 × 3 1 − 4 × 3 2 1 ) + ⋯ + { n × 3 n − 2 1 − ( n + 1 ) × 3 n − 1 1 } = 3 − ( n + 1 ) × 3 n − 1 1 ∑ n = 1 ∞ 3 ( 2 n + 3 ) 2 n ( n + 1 ) P n = lim n → ∞ ∑ k = 1 n 3 ( 2 k + 3 ) 2 k ( k + 1 ) P k = lim n → ∞ { 3 − 1 ( n + 1 ) × 3 n − 1 } = 3 \displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{3(2n+3)}{2n(n+1)}P_n=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{3(2k+3)}{2k(k+1)}P_k=\lim_{n\to\infty}\left\{3-\frac1{(n+1)\times3^{n-1}}\right\}=3 n = 1 ∑ ∞ 2 n ( n + 1 ) 3 ( 2 n + 3 ) P n = n → ∞ lim k = 1 ∑ n 2 k ( k + 1 ) 3 ( 2 k + 3 ) P k = n → ∞ lim { 3 − ( n + 1 ) × 3 n − 1 1 } = 3