문제 1-1 p \displaystyle p p 가 q \displaystyle q q 이기 위한 필요조건이라 가정하자. 그러면 q ⇒ p \displaystyle q\Rightarrow p q ⇒ p 이고 대우는 ∼ p ⇒ ∼ q \displaystyle \sim p\Rightarrow\sim q ∼ p ⇒∼ q 이다. 두 조건 p , q \displaystyle p,q p , q 의 진리집합을 각각 P , Q \displaystyle P,Q P , Q 라 하면 진리집합 P , Q \displaystyle P,Q P , Q 의 포함관계는 P C ⊂ Q C \displaystyle P^C\subset Q^C P C ⊂ Q C 이다.P C = { x ∣ x 2 − 2 x − 3 = 0 } = { − 1 , 3 } , Q C = { x ∣ a x − 2 a ≤ 3 x − 4 } \displaystyle P^C=\{x\mid x^2-2x-3=0\}=\{-1,3\},\ Q^C=\{x\mid ax-2a\le3x-4\} P C = { x ∣ x 2 − 2 x − 3 = 0 } = { − 1 , 3 } , Q C = { x ∣ a x − 2 a ≤ 3 x − 4 } 이므로(ⅰ) − 1 ∈ Q C \displaystyle -1\in Q^C − 1 ∈ Q C 일 때, − a − 2 a ≤ − 3 − 4 , − 3 a ≤ − 7 , a ≥ 7 3 \displaystyle -a-2a\le-3-4,\ -3a\le-7,\ a\ge\frac73 − a − 2 a ≤ − 3 − 4 , − 3 a ≤ − 7 , a ≥ 3 7 (ⅱ) 3 ∈ Q C \displaystyle 3\in Q^C 3 ∈ Q C 일 때, 3 a − 2 a ≤ 5 , a ≤ 5 \displaystyle 3a-2a\le5,\ a\le5 3 a − 2 a ≤ 5 , a ≤ 5 (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 7 3 ≤ a ≤ 5 \displaystyle \frac73\le a\le5 3 7 ≤ a ≤ 5 따라서 구하는 정수 a \displaystyle a a 는 3 , 4 , 5 \displaystyle 3,4,5 3 , 4 , 5 이므로 3 + 4 + 5 = 12 \displaystyle 3+4+5=12 3 + 4 + 5 = 12
문제 1-2 (1) 곡선 y = x 2 − n x \displaystyle y=x^2-nx y = x 2 − n x 와 직선 y = x + n − 1 4 \displaystyle y=x+n-\frac14 y = x + n − 4 1 이 만나는 서로 다른 두 점 A n , B n \displaystyle A_n,B_n A n , B n 의 x \displaystyle x x 좌표를 각각 α , β ( α < β ) \displaystyle \alpha,\beta\ (\alpha<\beta) α , β ( α < β ) 라 하면 A n ( α , α + n − 1 4 ) , B n ( β , β + n − 1 4 ) \displaystyle A_n(\alpha,\alpha+n-\frac14),\ B_n(\beta,\beta+n-\frac14) A n ( α , α + n − 4 1 ) , B n ( β , β + n − 4 1 ) 이므로 선분 A n B n \displaystyle A_nB_n A n B n 의 길이는 ( β − α ) 2 + { ( β + n − 1 4 ) − ( α + n − 1 4 ) } 2 = ( β − α ) 2 + ( β − α ) 2 = 2 ( β − α ) 2 \displaystyle \sqrt{(\beta-\alpha)^2+\{(\beta+n-\frac14)-(\alpha+n-\frac14)\}^2}=\sqrt{(\beta-\alpha)^2+(\beta-\alpha)^2}=\sqrt{2(\beta-\alpha)^2} ( β − α ) 2 + {( β + n − 4 1 ) − ( α + n − 4 1 ) } 2 = ( β − α ) 2 + ( β − α ) 2 = 2 ( β − α ) 2 이다. α , β \displaystyle \alpha,\beta α , β 는 곡선과 직선이 만나는 점의 x \displaystyle x x 좌표이므로 x 2 − n x = x + n − 1 4 , x 2 − ( n + 1 ) x + 1 4 − n = 0 \displaystyle x^2-nx=x+n-\frac14,\ x^2-(n+1)x+\frac14-n=0 x 2 − n x = x + n − 4 1 , x 2 − ( n + 1 ) x + 4 1 − n = 0 의 두 실근이고, 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의해서 α + β = n + 1 , α β = 1 4 − n \displaystyle \alpha+\beta=n+1,\ \alpha\beta=\frac14-n α + β = n + 1 , α β = 4 1 − n 이다. ( β − α ) 2 = ( α + β ) 2 − 4 α β = ( n + 1 ) 2 − 4 ( 1 4 − n ) = n 2 + 6 n \displaystyle (\beta-\alpha)^2=(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta=(n+1)^2-4(\frac14-n)=n^2+6n ( β − α ) 2 = ( α + β ) 2 − 4 α β = ( n + 1 ) 2 − 4 ( 4 1 − n ) = n 2 + 6 n 이므로 A n B n ‾ = 2 ( β − α ) 2 = 2 ( n 2 + 6 n ) \displaystyle \overline{A_nB_n}=\sqrt{2(\beta-\alpha)^2}=\sqrt{2(n^2+6n)} A n B n = 2 ( β − α ) 2 = 2 ( n 2 + 6 n ) 따라서 선분 A n B n \displaystyle A_nB_n A n B n 을 지름으로 하는 원의 넓이 T n \displaystyle T_n T n 은 T n = ( A n B n ‾ 2 ) 2 π = n 2 + 6 n 2 π \displaystyle T_n=\left(\frac{\overline{A_nB_n}}2\right)^2\pi=\frac{n^2+6n}2\pi T n = ( 2 A n B n ) 2 π = 2 n 2 + 6 n π
제시문에서 T n = ∑ k = 1 n π a k \displaystyle T_n=\sum_{k=1}^n\pi a_k T n = k = 1 ∑ n π a k 이므로 등차수열 { a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 의 첫째항부터 제n \displaystyle n n 항까지의 합을 S n \displaystyle S_n S n 이라 하면 S n = ∑ k = 1 n a k = n 2 + 6 n 2 \displaystyle S_n=\sum_{k=1}^na_k=\frac{n^2+6n}2 S n = k = 1 ∑ n a k = 2 n 2 + 6 n 이다. a 1 = S 1 = 7 2 \displaystyle a_1=S_1=\frac72 a 1 = S 1 = 2 7 이고 S 2 = 16 2 \displaystyle S_2=\frac{16}2 S 2 = 2 16 이므로 a 2 = S 2 − S 1 = 9 2 \displaystyle a_2=S_2-S_1=\frac92 a 2 = S 2 − S 1 = 2 9 이다. 따라서 공차 d = a 2 − a 1 = 1 \displaystyle d=a_2-a_1=1 d = a 2 − a 1 = 1 이고 a n = a 1 + ( n − 1 ) d = n + 5 2 \displaystyle a_n=a_1+(n-1)d=n+\frac52 a n = a 1 + ( n − 1 ) d = n + 2 5
(2) ∑ n = 1 ∞ 1 a n a n + 1 = ∑ n = 1 ∞ 1 ( n + 5 2 ) ( n + 7 2 ) = ∑ n = 1 ∞ 4 ( 2 n + 5 ) ( 2 n + 7 ) = lim n → ∞ ∑ k = 1 n 4 2 ( 1 2 k + 5 − 1 2 k + 7 ) = lim n → ∞ 2 { ( 1 7 − 1 9 ) + ( 1 9 − 1 11 ) + ( 1 11 − 1 13 ) + ⋯ + ( 1 2 n + 5 − 1 2 n + 7 ) } = lim n → ∞ 2 ( 1 7 − 1 2 n + 7 ) = 2 7 \displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{a_na_{n+1}}&=\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{(n+\frac52)(n+\frac72)}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac4{(2n+5)(2n+7)}\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac42\left(\frac1{2k+5}-\frac1{2k+7}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}2\left\{\left(\frac17-\frac19\right)+\left(\frac19-\frac1{11}\right)+\left(\frac1{11}-\frac1{13}\right)+\cdots+\left(\frac1{2n+5}-\frac1{2n+7}\right)\right\}\\&=\lim_{n\to\infty}2\left(\frac17-\frac1{2n+7}\right)=\frac27\end{aligned} n = 1 ∑ ∞ a n a n + 1 1 = n = 1 ∑ ∞ ( n + 2 5 ) ( n + 2 7 ) 1 = n = 1 ∑ ∞ ( 2 n + 5 ) ( 2 n + 7 ) 4 = n → ∞ lim k = 1 ∑ n 2 4 ( 2 k + 5 1 − 2 k + 7 1 ) = n → ∞ lim 2 { ( 7 1 − 9 1 ) + ( 9 1 − 11 1 ) + ( 11 1 − 13 1 ) + ⋯ + ( 2 n + 5 1 − 2 n + 7 1 ) } = n → ∞ lim 2 ( 7 1 − 2 n + 7 1 ) = 7 2
문제 1-3 (1) 그림과 같이 실수 t ( 0 < t < n ) \displaystyle t\ (0<t<n) t ( 0 < t < n ) 에 대하여 P ( t , n − t ) , Q ( − t , n − t ) , R ( − t , − 2 n − t ) , S ( t , − 2 n − t ) \displaystyle P(t,\sqrt{n-t}),\ Q(-t,\sqrt{n-t}),\ R(-t,-2\sqrt{n-t}),\ S(t,-2\sqrt{n-t}) P ( t , n − t ) , Q ( − t , n − t ) , R ( − t , − 2 n − t ) , S ( t , − 2 n − t ) 이다. 직사각형 P Q R S \displaystyle PQRS P QR S 의 넓이는 P Q ‾ × P S ‾ = 2 t × 3 n − t \displaystyle \overline{PQ}\times\overline{PS}=2t\times3\sqrt{n-t} P Q × P S = 2 t × 3 n − t 이므로 S n ( t ) = 6 t n − t \displaystyle S_n(t)=6t\sqrt{n-t} S n ( t ) = 6 t n − t 이다.
(2) S n ( t ) = 6 t n − t = 6 n t 2 − t 3 \displaystyle S_n(t)=6t\sqrt{n-t}=6\sqrt{nt^2-t^3} S n ( t ) = 6 t n − t = 6 n t 2 − t 3 에서 T ( t ) = n t 2 − t 3 = t 2 ( n − t ) \displaystyle T(t)=nt^2-t^3=t^2(n-t) T ( t ) = n t 2 − t 3 = t 2 ( n − t ) 라 하면 0 < t < n \displaystyle 0<t<n 0 < t < n 일 때 T ( t ) > 0 \displaystyle T(t)>0 T ( t ) > 0 이므로 T ( t ) \displaystyle T(t) T ( t ) 가 최대일 때 S n ( t ) \displaystyle S_n(t) S n ( t ) 도 최대이다. T ′ ( t ) = 2 n t − 3 t 2 = t ( 2 n − 3 t ) = 0 \displaystyle T^{\prime}(t)=2nt-3t^2=t(2n-3t)=0 T ′ ( t ) = 2 n t − 3 t 2 = t ( 2 n − 3 t ) = 0 을 만족시키는 t \displaystyle t t 의 값은 t = 0 \displaystyle t=0 t = 0 또는 t = 2 3 n \displaystyle t=\frac23n t = 3 2 n 이므로 함수 T ( t ) \displaystyle T(t) T ( t ) 의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.
t \displaystyle t t ( 0 ) \displaystyle (0) ( 0 ) … 2 3 n \displaystyle \frac23n 3 2 n … ( n ) \displaystyle (n) ( n ) T ′ ( t ) \displaystyle T^{\prime}(t) T ′ ( t ) + \displaystyle + + 0 \displaystyle 0 0 − \displaystyle - − T ( t ) \displaystyle T(t) T ( t ) 0 \displaystyle 0 0 ↗ n ( 2 3 n ) 2 − ( 2 3 n ) 3 = 4 27 n 3 \displaystyle n(\frac23n)^2-(\frac23n)^3=\frac4{27}n^3 n ( 3 2 n ) 2 − ( 3 2 n ) 3 = 27 4 n 3 ↘ 0 \displaystyle 0 0
T ( t ) = n t 2 − t 3 \displaystyle T(t)=nt^2-t^3 T ( t ) = n t 2 − t 3 은 t = 2 3 n \displaystyle t=\frac23n t = 3 2 n 에서 극대이면서 최대이므로 S n ( t ) \displaystyle S_n(t) S n ( t ) 는 t = 2 3 n \displaystyle t=\frac23n t = 3 2 n 에서 최댓값 S n ( 2 3 n ) = 6 T ( 2 3 n ) = 6 4 27 n 3 \displaystyle S_n(\frac23n)=6\sqrt{T(\frac23n)}=6\sqrt{\frac4{27}n^3} S n ( 3 2 n ) = 6 T ( 3 2 n ) = 6 27 4 n 3 을 갖는다. 즉f ( n ) = 2 3 n , g ( n ) = 6 4 27 n 3 \displaystyle f(n)=\frac23n,\ g(n)=6\sqrt{\frac4{27}n^3} f ( n ) = 3 2 n , g ( n ) = 6 27 4 n 3 따라서 lim n → ∞ { g ( n ) } 2 { f ( n ) } 3 + n 3 + 1 = lim n → ∞ 36 × 4 27 n 3 8 27 n 3 + n 3 + 1 = 144 35 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\{g(n)\}^2}{\{f(n)\}^3+n^3+1}=\lim_{n\to\infty}\frac{36\times\frac4{27}n^3}{\frac8{27}n^3+n^3+1}=\frac{144}{35} n → ∞ lim { f ( n ) } 3 + n 3 + 1 { g ( n ) } 2 = n → ∞ lim 27 8 n 3 + n 3 + 1 36 × 27 4 n 3 = 35 144