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자연계열 4번

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문제

[문제 4] (총 100점)

자연수 n\displaystyle n과 세 함수f(x)=x2x\displaystyle f ( x ) = x 2^{x}, g(x)=x−[x]\displaystyle g ( x ) = x - [ x ], h(x)={xn(x≥0)−x(x<0)\displaystyle h(x)=\begin{cases}\frac xn&(x\ge0)\\-x&(x<0)\end{cases}에 대하여, 합성함수 y=g∘f(x)\displaystyle y = g \circ f ( x )의 그래프와 함수 y=h(x)\displaystyle y = h ( x )의 그래프와의 교점의 개수를 an\displaystyle a_{n}이라 하자. (단, [x]\displaystyle [ x ]는 x\displaystyle x를 넘지 않는 최대 정수이다.)

(a) 필요하면 lim⁡x→−∞x2x=0\displaystyle \lim_{x \to - \infty} x 2^{x} = 0을 이용해서, 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 개형을 그려라. (40점)

(b) ∑k=1nak+12akak+2\displaystyle \sum_{k = 1}^{n} \frac{a_{k + 1}^{2}}{a_{k} a_{k + 2}}을 구하여라. (60점)

해설강의 준비중

(a) f′(x)=2x(1+xln⁡2)\displaystyle f^{\prime} ( x ) = 2^{x} ( 1 + x \ln 2 )이고 f′′(x)=2x(2+xln⁡2)ln⁡2\displaystyle f^{\prime \prime} ( x ) = 2^{x} ( 2 + x \ln 2 ) \ln 2이다. 따라서 x=−1ln⁡2\displaystyle x = - \frac{{1}}{\ln 2}일 때 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime} ( x ) = 0이고 f(−1ln⁡2)=−1ln⁡22−1ln⁡2=−12log⁡2eln⁡2=−1eln⁡2\displaystyle f \left( - \frac{1}{\ln 2} \right) = - \frac{1}{\ln 2} 2^{- \frac{1}{\ln 2}} = - \frac{1}{2^{{\log_{2} e}} \ln 2} = - \frac{1}{e \ln 2} 이므로, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

xx⋯\cdots−2ln⁡2-\frac{2}{\ln2}⋯\cdots−1ln⁡2-\frac1{\ln2}⋯\cdots0⋯\cdots
f′(x)f'(x)−−−0+1+
f′′(x)f''(x)−0+++++
f(x)f(x)−2e2ln⁡2-\frac2{e^2\ln2}−1eln⁡2-\frac1{e\ln2}0

그런데 2<e<4\displaystyle 2 < e < 4이므로 1<log⁡2e=1ln⁡2<2\displaystyle 1 < \log_{2} e = \frac{1}{\ln 2} < 2이고 0<1eln⁡2<1\displaystyle 0 < \frac{{1}}{e \ln 2} < 1이다. 또한 lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to - \infty} {} f ( x ) = 0이고 lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} {} f ( x ) = \infty이므로, 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 개형은 아래 그림과 같다.

함수 y=x2ˣ의 그래프와 극솟값

(b) 고정된 정수 k\displaystyle k에 대해서 어떤 구간에 포함되는 모든 x\displaystyle x가 k≤f(x)<k+1\displaystyle k \le f ( x ) < k + 1을 만족시키면g∘f(x)=f(x)−[f(x)]=f(x)−k\displaystyle g \circ f ( x ) = f ( x ) - [ f ( x ) ] = f ( x ) - k이므로, 주어진 그 구간에서 y=g∘f(x)\displaystyle y = g \circ f ( x )의 그래프는 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프를 y\displaystyle y축으로 −k\displaystyle - k만큼 평행이동한 그래프와 같다. 따라서 함수 y=g∘f(x)\displaystyle y = g \circ f ( x )의 그래프의 개형은 아래 그림과 같다.

함수 y=g∘f(x)의 그래프

(i) x<0\displaystyle x < 0일 때, g∘f(x)=f(x)+1\displaystyle g \circ f ( x ) = f ( x ) + 1이므로 x<0\displaystyle x < 0에서 y=g∘f(x)\displaystyle y = g \circ f ( x )의 그래프와 y=−x\displaystyle y = - x의 그래프와의 교점의 개수는 1이다.

(ii) x≥0\displaystyle x \ge 0일 때, f(0)=0\displaystyle f ( 0 ) = 0, f(n)=n2n\displaystyle f ( n ) = n 2^{n}, f′(0)=1\displaystyle f^{\prime} ( 0 ) = 1이므로 x≥0\displaystyle x \ge 0에서 y=g∘f(x)\displaystyle y = g \circ f ( x )의 그래프와 y=xn\displaystyle y = \frac{x}{n}의 그래프와의 교점의 개수는 f(n)−1=n2n−1\displaystyle f ( n ) - 1 = n 2^{n} - 1 이다.

따라서 an=n2n\displaystyle a_{n} = n 2^{n} 이므로∑k=1nak+12akak+2=∑k=1n(k+1)2k(k+2)=∑k=1n(1+1k(k+2))=n+12∑k=1n(1k−1k+2)=34+n−2n+32(n+1)(n+2)\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac{a_{k+1}^2}{a_ka_{k+2}}=\sum_{k=1}^n\frac{(k+1)^2}{k(k+2)}=\sum_{k=1}^n\left(1+\frac1{k(k+2)}\right)=n+\frac12\sum_{k=1}^n\left(\frac1k-\frac1{k+2}\right)=\frac34+n-\frac{2n+3}{2(n+1)(n+2)}이다.

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