수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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(a) 삼각함수의 덧셈정리에 의해sinπx4ncosπx4n=2sin(πx4nπ4)<1\displaystyle \sin \frac{{\pi x}}{4 n} - \cos \frac{{\pi x}}{4 n} = \sqrt{2} \sin \left( \frac{{\pi x}}{4 n} - \frac{\pi}{4} \right) < 1이므로 0<x<10n\displaystyle 0 < x < 10 n의 범위에서 이를 풀면0<x<2n\displaystyle 0 < x < 2 n 또는 4n<x<10n\displaystyle 4 n < x < 10 n이다. 또한 0<x<10n\displaystyle 0 < x < 10 n의 범위에서 x214nx+48n2=(x6n)(x8n)>0\displaystyle x^{2} - 14 n x + 48 n^{2} = ( x - 6 n ) ( x - 8 n ) > 0의 해는0<x<6n\displaystyle 0 < x < 6 n 또는 8n<x<10n\displaystyle 8 n < x < 10 n이다. 따라서Sn=(0,2n)(4n,6n)(8n,10n)\displaystyle S_{n} = ( 0 , 2 n ) \cup ( 4 n , 6 n ) \cup ( 8 n , 10 n )이다.

순서쌍 (p,q)\displaystyle ( p , q )가 문제의 조건을 만족하면, p\displaystyle pq\displaystyle q가 모두 홀수 혹은 모두 짝수이고, 또한 다음의 두 가지 경우 중 하나이다.

(i) p\displaystyle pq\displaystyle q가 모두 (0,2n)\displaystyle ( 0 , 2 n ) 또는 (4n,6n)\displaystyle ( 4 n , 6 n ) 또는 (8n,10n)\displaystyle ( 8 n , 10 n )에 포함되는 경우

(ii) p(0,2n)\displaystyle p \in ( 0 , 2 n )이고 q(8n,10n)\displaystyle q \in ( 8 n , 10 n ) 또는 p(8n,10n)\displaystyle p \in ( 8 n , 10 n )이고 q(0,2n)\displaystyle q \in ( 0 , 2 n )인 경우

한편 (0,2n)\displaystyle ( 0 , 2 n ), (4n,6n)\displaystyle ( 4 n , 6 n ), (8n,10n)\displaystyle ( 8 n , 10 n )에는 각각 n\displaystyle n개의 홀수와 n1\displaystyle n - 1개의 짝수가 있다.

따라서 (i)인 경우 순서쌍 (p,q)\displaystyle ( p , q )의 개수는 각 세 집합에서 동시에 두 홀수를 선택하거나 혹은 동시에 두 짝수를 선택하는 경우의 수인데 p<q\displaystyle p < qp>q\displaystyle p > q 두 가지 경우가 있으므로 전체 경우의 수는23(nC2+n1C2)\displaystyle 2\cdot3\cdot({}_{n}\mathrm C_2+{}_{n-1}\mathrm C_2)이다.

(ii)인 경우 순서쌍 (p,q)\displaystyle ( p , q )의 개수는 p(0,2n)\displaystyle p \in ( 0 , 2 n )이고 q(8n,10n)\displaystyle q \in ( 8 n , 10 n )인 경우 동시에 홀수 혹은 짝수를 선택하는 경우의 수와 p(8n,10n)\displaystyle p \in ( 8 n , 10 n )이고 q(0,2n)\displaystyle q \in ( 0 , 2 n )인 경우 동시에 홀수 혹은 짝수를 선택하는 경우의 수의 합이므로 전체 경우의 수는2(n2+(n1)2)\displaystyle 2 \cdot ( n^{2} + ( n - 1 )^{2} )이다. 그러므로an=3{n(n1)+(n1)(n2)}+2{n2+(n1)2}=10n216n+8\displaystyle a_n=3\{n(n-1)+(n-1)(n-2)\}+2\{n^2+(n-1)^2\}=10n^2-16n+8이다.

(b) 자연수 k\displaystyle k에 대해서 ak2=2(5k3)(k1)\displaystyle a_{k} - 2 = 2 ( 5 k - 3 ) ( k - 1 )이므로akak+12ak2ak+1+4=(ak2)(ak+12)=4(5k3)(k1)(5k+2)k\displaystyle a_{k} a_{k + 1} - 2 a_{k} - 2 a_{k + 1} + 4 = ( a_{k} - 2 ) ( a_{k + 1} - 2 ) = 4 ( 5 k - 3 ) ( k - 1 ) ( 5 k + 2 ) k이다. 따라서 문제의 식은k=2nk2kakak+12ak2ak+1+4=14k=2n1(5k3)(5k+2)=120k=2n(15k315k+2)=120(1715n+2)=n128(5n+2)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=2}^n\frac{k^2-k}{a_ka_{k+1}-2a_k-2a_{k+1}+4}&=\frac14\sum_{k=2}^n\frac1{(5k-3)(5k+2)}\\&=\frac1{20}\sum_{k=2}^n\left(\frac1{5k-3}-\frac1{5k+2}\right)\\&=\frac1{20}\left(\frac17-\frac1{5n+2}\right)\\&=\frac{n-1}{28(5n+2)}\end{aligned}이다.

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