수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 2번

문제

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문제 2-1x2+4x=x\displaystyle -x^2+4x=x에서 x=3\displaystyle x=3이므로 점 A\displaystyle A의 좌표는 (3,3)\displaystyle (3,3)이다.Pk\displaystyle P_k(k=1,2,3,,n1\displaystyle k=1,2,3,\cdots,n-1)에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 Rk\displaystyle R_k라 하면 Rk(3kn,0)\displaystyle R_k\left(\frac{3k}n,0\right)이므로 Pk(3kn,3kn)\displaystyle P_k\left(\frac{3k}n,\frac{3k}n\right), Qk(3kn,(3kn)2+4(3kn))\displaystyle Q_k\left(\frac{3k}n,-\left(\frac{3k}n\right)^2+4\left(\frac{3k}n\right)\right)이다.삼각형 OPkQk\displaystyle OP_kQ_k의 넓이 Sk\displaystyle S_kSk=12×PkQk×ORk=12{(3kn)2+4(3kn)3kn}×3kn=12{(3kn)2+3(3kn)}3kn=12{(3kn)3+3(3kn)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}

포물선과 직선 사이 삼각형 OPkQk

limn1nk=1n1Sk=12limnk=1n1{(3kn)3+3(3kn)2}1n=12limnk=1n{(3kn)3+3(3kn)2}1n=12×13limnk=1n{(3kn)3+3(3kn)2}3n=1603(x3+3x2)dx=16[14x4+x3]03=98\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}

문제 2-2(1) 6\displaystyle 6이상의 자연수 k\displaystyle k에 대하여 방정식 x1+x2++x6=k\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_6=k을 만족시키는 자연수 x1,x2,,x6\displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_6의 모든 순서쌍 (x1,x2,,x6)\displaystyle (x_1,x_2,\cdots,x_6)의 개수는 음이 아닌 정수 x1,x2,,x6\displaystyle x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime}에 대하여 x1=1+x1,x2=1+x2,,x6=1+x6\displaystyle x_1=1+x_1^{\prime},x_2=1+x_2^{\prime},\cdots,x_6=1+x_6^{\prime}라 하고 x1+x2++x6=k\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_6=k에 대입하면 x1+x2++x6=k6\displaystyle x_1^{\prime}+x_2^{\prime}+\cdots+x_6^{\prime}=k-6이므로 방정식 x1+x2++x6=k6\displaystyle x_1^{\prime}+x_2^{\prime}+\cdots+x_6^{\prime}=k-6을 만족시키는 음이 아닌 정수 x1,x2,,x6\displaystyle x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime}의 모든 순서쌍 (x1,x2,,x6)\displaystyle (x_1^{\prime},x_2^{\prime},\cdots,x_6^{\prime})의 개수와 같다.따라서 N(k)\displaystyle N(k)는 서로 다른 6\displaystyle 6개에서 중복을 허락하여 (k6)\displaystyle (k-6)개를 택하는 중복조합의 수 6Hk6\displaystyle {}_6\mathrm H_{k-6}이다. 그러므로 N(k)=6Hk6=k1C5\displaystyle N(k)={}_6\mathrm H_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_5

(2) N(k)=6Hk6=k1Ck6=k1C5\displaystyle N(k)={}_6\mathrm H_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_{k-6}={}_{k-1}\mathrm C_5이므로N(6)=6H0=5C0=5C5, N(7)=6H1=6C1=6C5,\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(8)=6H2=7C2=7C5,, N(20)=6H14=19C14=19C5\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_5k=620N(k)=N(6)+N(7)+N(8)++N(20)=5C0+6C1+7C2++19C14=6C0+6C1+7C2++19C14=7C1+7C2+8C3++19C14(제시문 (가)에 의하여)=8C2+8C3++19C14=19C13+19C14=20C14=20C6\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}20C14=20C6\displaystyle {}_{20}\mathrm C_{14}={}_{20}\mathrm C_6이므로 r=14\displaystyle r=14 또는 r=6\displaystyle r=6이다.

문제 2-3(1) 6\displaystyle 6의 약수는 1,2,3,6\displaystyle 1,2,3,6이므로 한 개의 주사위를 던져서 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나올 확률은 46=23\displaystyle \frac46=\frac23이고, 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나오지 않을 확률은 123=13\displaystyle 1-\frac23=\frac13이다. 한 개의 주사위를 n\displaystyle n번 던지는 시행에서 (n1)\displaystyle (n-1)번째까지 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나오지 않고 n\displaystyle n번째 처음으로 6\displaystyle 6의 약수의 눈이 나와야 하므로 Pn=(23)(13)n1\displaystyle P_n=\left(\frac23\right)\left(\frac13\right)^{n-1}이다.

(2) k=1n3(2k+3)2k(k+1)Pk=k=1n{3(2k+3)2k(k+1)×23(13)k1}=k=1n{2k+3k(k+1)(13)k1}=k=1n[{2kk(k+1)+3k(k+1)}(13)k1]=k=1n[{2k+1+3(1k1k+1)}(13)k1](제시문 (가)에 의하여)=k=1n(3k1k+1)(13)k1=k=1n{1k×3k21(k+1)×3k1}=(312)+(1213×3)+(13×314×32)++{1n×3n21(n+1)×3n1}=31(n+1)×3n1\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}n=13(2n+3)2n(n+1)Pn=limnk=1n3(2k+3)2k(k+1)Pk=limn{31(n+1)×3n1}=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

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