수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3]

실수 전체에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 다음 두 조건을 모두 만족시킨다.

(1) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x+2)=f(x)\displaystyle f ( x + 2 ) = f ( x )이다.

(2) −1≤x<1\displaystyle - 1 \leq x < 1일 때, f(x)=2−∣x−12∣−∣x+12∣\displaystyle f ( x ) = 2 - \left| x - \frac{1}{2} \right| - \left| x + \frac{1}{2} \right|이다.

자연수 n\displaystyle n에 대하여 직선 y=−12nx+n2\displaystyle y = - \frac{1}{2n} x + \frac{n}{2}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 교점의 개수를 an\displaystyle a_{n}이라 할 때, ∑k=199ak\displaystyle \sum_{k = 1}^{99} a_{k}의 값을 구하여라. (100점)

해설강의 준비중

조건으로부터 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )는 주기가 2이므로 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프는 다음과 같다.

주기가 2인 함수 y=f(x)의 그래프

직선 y=−12nx+n2\displaystyle y = - \frac{1}{2n} x + \frac{n}{2}을 ln\displaystyle l_{n}이라 하자. 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 치역이 구간 [0,1]이므로 점 (a,b)\displaystyle ( a , b )가 직선 ln\displaystyle l_{n}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 교점이면 0≤b≤1\displaystyle 0 \leq b \leq 1이다. 특히 직선 ln\displaystyle l_{n}과 직선 y=0,y=1\displaystyle y = 0 , y = 1의 교점은 각각 (n2,0)\displaystyle ( n^{2} , 0 )과 (n2−2n,1)\displaystyle ( n^{2} - 2 n , 1 )이다.

n\displaystyle n이 홀수이면 n2\displaystyle n^{2}과 n2−2n\displaystyle n^{2} - 2 n은 홀수이므로 직선 ln\displaystyle l_{n}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프는 다음과 같다.

n이 홀수일 때 직선과 주기함수의 교점

따라서 k=1,2,⋯ ,n\displaystyle k = 1 , 2 , \cdots , n일 때 구간 (n2−2n+2k−2,n2−2n+2k]\displaystyle ( n^{2} - 2 n + 2 k - 2 , n^{2} - 2 n + 2 k]에서 직선 ln\displaystyle l_{n}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 교점은 2개이므로an=2n\displaystyle a_{n} = 2 n이다.

n\displaystyle n이 짝수이면 n2\displaystyle n^{2}과 n2−2n\displaystyle n^{2} - 2 n은 짝수이므로 직선 ln\displaystyle l_{n}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프는 다음과 같다.

n이 짝수일 때 직선과 주기함수의 교점

그림으로부터 직선 ln\displaystyle l_{n}과 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 교점의 개수는 다음과 같다.

[1] k=1,2,⋯ ,n\displaystyle k =1 , 2 , \cdots , n일 때 구간 (n2−2n+2k−3,n2−2n+2k−1]\displaystyle ( n^{2} - 2 n + 2 k - 3 , n^{2} - 2 n + 2 k - 1 ]에서 각각 2개

[2] 구간 (n2−1,n2]\displaystyle ( n^{2} - 1 , n^{2} ]에서 1개

따라서 n\displaystyle n이 짝수이면an=2n+1\displaystyle a_{n} = 2 n + 1이다. 그러므로∑k=199ak=∑k=150a2k−1+∑k=149a2k=∑k=150(4k−2)+∑k=149(4k+1)=9949\displaystyle \sum_{k=1}^{99}a_k=\sum_{k=1}^{50}a_{2k-1}+\sum_{k=1}^{49}a_{2k}=\sum_{k=1}^{50}(4k-2)+\sum_{k=1}^{49}(4k+1)=9949이다.

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