수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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그림을 이용하여 k=120141k\displaystyle \sum_{k=1}^{2014}\frac{1}{k}120141xdx\displaystyle \int_1^{2014}\frac{1}{x}\,dx 의 크기를 비교하면

120141xdx<k=120141k<120141xdx+1\displaystyle \int_1^{2014}\frac{1}{x}\,dx<\sum_{k=1}^{2014}\frac{1}{k}<\int_1^{2014}\frac{1}{x}\,dx+1

을 얻는다.

6=log336<log32014<ln2014<log22014<log2211=11\displaystyle 6=\log_3 3^6<\log_3 2014<\ln2014<\log_2 2014<\log_2 2^{11}=11

으로부터 6<k=120141k<12\displaystyle 6<\sum_{k=1}^{2014}\frac{1}{k}<12 을 얻고 그러므로 α=2\displaystyle \alpha=2이다.

다음, sin2x\displaystyle \sin^2x 의 주기가 π\displaystyle \pi 임을 상기하면

sin2(πn2014+n1012+1)=sin2(πn2014+n1012+1πn1007)=sin2(πn1012+1n2014+n1012+1+n1007)\displaystyle \begin{aligned}\sin^2\left(\pi\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}\right)&=\sin^2\left(\pi\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}-\pi n^{1007}\right)\\&=\sin^2\left(\pi\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}\right)\end{aligned}

을 얻는다.

I) n=2k,\displaystyle n=2k,(k\displaystyle k 는 자연수) 인 경우, 다시 주기성을 이용하면

sin2(πn1012+1n2014+n1012+1+n1007)=sin2(πn1012+1n2014+n1012+1+n1007πn52)\displaystyle \sin^2\left(\pi\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}\right)=\sin^2\left(\pi\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}-\pi\frac{n^5}{2}\right)

이다. n\displaystyle n\to\infty일 때 an=n1012+1n2014+n1012+1+n1007n520\displaystyle a_n=\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}-\frac{n^5}{2}\to0 과 위 식을 이용하면

limksin2(π(2k)2014+(2k)1012+1)=0\displaystyle \lim_{k\to\infty}\sin^2\left(\pi\sqrt{(2k)^{2014}+(2k)^{1012}+1}\right)=0

이다.

II) n=2k1,\displaystyle n=2k-1,(k\displaystyle k 는 자연수) 인 경우, 주기성을 이용하면

sin2(πn1012+1n2014+n1012+1+n1007)=sin2(πn1012+1n2014+n1012+1+n1007πn52+π12)\displaystyle \sin^2\left(\pi\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}\right)=\sin^2\left(\pi\frac{n^{1012}+1}{\sqrt{n^{2014}+n^{1012}+1}+n^{1007}}-\pi\frac{n^5}{2}+\pi\frac{1}{2}\right)

이다. n\displaystyle n\to\infty일 때 an0\displaystyle a_n\to0 과 위 식을 이용하면

limksin2(π(2k1)2014+(2k1)1012+1)=1\displaystyle \lim_{k\to\infty}\sin^2\left(\pi\sqrt{(2k-1)^{2014}+(2k-1)^{1012}+1}\right)=1

이다. 그러므로 발산한다.

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