수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (총 100점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 an=10n−1\displaystyle a_{n} = 10^{n} - 1일 때, 연립부등식{1≤x≤an0≤y≤log⁡x\displaystyle \begin{cases}1\le x\le a_n\\0\le y\le\log x\end{cases}를 만족시키는 두 정수 x\displaystyle x와 y\displaystyle y의 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수를 Sn\displaystyle S_n이라 하자. (단, log⁡x\displaystyle \log x는 x\displaystyle x의 상용로그이다.)

(a) Sn\displaystyle S_{n}을 n\displaystyle n에 관한 식으로 나타내어라. (60점)

(b) 극한값 lim⁡n→∞Snanlog⁡an\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\frac{{S_{n}}}{a_{n} \log a_{n}}}을 구하여라. (40점)

해설강의 준비중

논술 도형의 근사와 극한

관련 개념강의 준비중

(a)지수함수와 로그함수의 관계로부터 Sn\displaystyle S_{n}은 연립부등식y≥0\displaystyle y \geq 0, 10y≤x≤an=10n−1\displaystyle 10^{y} \leq x \leq a_{n} = 10^{n} - 1을 만족하는 모든 정수의 순서쌍 (x,y)\displaystyle ( x , y )의 개수와 같다. 따라서 y\displaystyle y는 0≤y<n\displaystyle 0 \leq y < n인 정수이고,y=k\displaystyle y = k일 때 10k≤x≤10n−1\displaystyle 10^{k} \leq x \leq 10^{n} - 1이므로, 이 때 순서쌍의 개수는 10n−10k\displaystyle 10^{n} - 10^{k}이다. 그러므로Sn=∑k=0n−1(10n−10k)=∑k=0n−110n−∑k=0n−110k=n10n−10n−19=(n−19)10n+19\displaystyle S_{n} = \sum_{k = 0}^{n - 1} ( 10^{n} - 10^{k} ) = \sum_{k = 0}^{n - 1} 10^{n} - \sum_{k = 0}^{n - 1} 10^{k} = n 10^{n} - \frac{{10^{n} - 1}}{9} = \left( n - \frac{{1}}{9} \right) 10^{n} + \frac{{1}}{9}이다.

(b)log⁡an\displaystyle \log a_{n}의 가수를 tn\displaystyle t_{n}라 하면 log⁡an=n−1+tn(0≤tn<1)\displaystyle \log a_{n}= n - 1 + t_{n}( 0 \leq t_{n} < 1 )이다. 그런데 0≤tnn<1n\displaystyle 0 \leq \frac{{t_{n}}}{n} < \frac{{1}}{n}이고 lim⁡n→∞0=0=lim⁡n→∞1n\displaystyle \lim_{n \to \infty} {0} = 0 = \lim_{n \to \infty} {\frac{{1}}{n}}이므로 lim⁡n→∞tnn=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\frac{{t_{n}}}{n}} = 0이다. 따라서lim⁡n→∞Snanlog⁡an=lim⁡n→∞(n−19)10n+19(10n−1)(n−1+tn)=lim⁡n→∞(1−19n)+19n10n(1−110n)(1+tn−1n)=(1−0)+0(1−0)(1+0)\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\frac{{S_{n}}}{a_{n} \log a_{n}}} = \lim_{n \to \infty} {\frac{{\left( n - \frac{{1}}{9} \right) 10^{n} + \frac{{1}}{9}}}{( 10^{n} - 1 ) ( n - 1 + t_{n} )}} = \lim_{n \to \infty} {\frac{{\left( 1 - \frac{{1}}{9 n} \right) + \frac{{1}}{9 n 10^{n}}}}{\left( 1 - \frac{{1}}{10^{n}} \right) \left( 1 + \frac{{t_{n} - 1}}{n} \right)}} = \frac{{( 1 - 0 ) + 0}}{( 1 - 0 ) ( 1 + 0 )}이다.

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