수리논술, 이게 다다.

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문제

수열 an\displaystyle {a_n}의 일반항 an\displaystyle a_n이 an=∫−nnx21+esin⁡x dx\displaystyle a_n=\int_{-n}^{n}\frac{x^2}{1+e^{\sin x}}\,dx일 때, 다음 부등식을 만족하는 자연수 n\displaystyle n의 최솟값을 구하시오. [80점]

∑k=1n(3akk+1)k!≥2023!\displaystyle \sum_{k=1}^{n}\left(\frac{3a_k}{k}+1\right)k!\ge2023!

해설강의 준비중
+40점 · (1) 식의 변환과 치환을 이용하여 an\displaystyle a_n을 유추하면 40점

(1) an=∫−nnx21+esin⁡x dx=∫0nx21+esin⁡x dx+∫−n0x21+esin⁡x dx\displaystyle a_n=\int_{-n}^{n}\frac{x^2}{1+e^{\sin x}}\,dx=\int_0^n\frac{x^2}{1+e^{\sin x}}\,dx+\int_{-n}^0\frac{x^2}{1+e^{\sin x}}\,dx으로 변환하고 두 번째 항을 위하여 y=−x\displaystyle y=-x로 치환하면an=∫0nx2(11+esin⁡x+11+e−sin⁡x)dx=n33\displaystyle a_n=\int_0^n x^2\left(\frac{1}{1+e^{\sin x}}+\frac{1}{1+e^{-\sin x}}\right)dx=\frac{n^3}{3}을 얻는다.

+30점 · (2) 수열의 합을 구하기 위해 계승의 성질을 위해 단순히 하면 30점 추가

(2) ∑k=1n(k2+1)k!≥2023!\displaystyle \sum_{k=1}^n(k^2+1)k!\ge2023!를 만족하는 최소 자연수 n\displaystyle n를 구하면 된다.∑k=1n(k2+1)k!=∑k=1n(k+1)⋅(k+1)!−2k⋅k!=∑k=1n((k+2)!−(k+1)!)−2((k+1)!−k!)=(n+2)!−2(n+1)!\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^n(k^2+1)k!&=\sum_{k=1}^n(k+1)\cdot(k+1)!-2k\cdot k!\\&=\sum_{k=1}^n((k+2)!-(k+1)!)-2((k+1)!-k!)\\&=(n+2)!-2(n+1)!\end{aligned}이다.

+10점 · (3) 최소 자연수 n=2022\displaystyle n=2022의 이유를 설명하면 10점 추가

(3) 2021은 만족하지 않고 2022은 만족함을 확인할 수 있다. 그러므로 구하는 최소 자연수는 n=2022\displaystyle n=2022이다.

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