수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (100점)

모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 부등식이 성립함을 보여라.nn⋅n!(2n)!≤(12)n\displaystyle \frac{n^n\cdot n!}{(2n)!}\le\left(\frac1{\sqrt2}\right)^n

해설강의 준비중

n=2m\displaystyle n = 2 m (m\displaystyle ( m은 자연수)이면,nn⋅n!(2n)!=n2n⋅n2n−1⋅⋯⋅n2n−(m−1)⋅nn+1+(m−1)⋅⋯⋅nn+2⋅nn+1\displaystyle \frac{{n^{n} \cdot n !}}{( 2 n ) !} = \frac{{n}}{2 n} \cdot \frac{{n}}{2 n - 1} \cdot \cdots \cdot \frac{{n}}{2 n - ( m - 1 )} \cdot \frac{{n}}{n + 1 + ( m - 1 )} \cdot \cdots \cdot \frac{{n}}{n + 2} \cdot \frac{{n}}{n + 1}이다. 이제n2n⋅nn+1≤(12)2,n2n−1⋅nn+2≤(12)2,⋯ ,n2n−(m−1)⋅nn+1+(m−1)≤(12)2\displaystyle \left. \frac{{n}}{2 n} \cdot \frac{{n}}{n + 1} \leq \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)^{2} , \frac{{n}}{2 n - 1} \cdot \frac{{n}}{n + 2} \leq \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)^{2} , \cdots , \frac{{n}}{2 n - ( m - 1 )} \cdot \frac{{n}}{n + 1 + ( m - 1 )} \leq \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)^{2} \right.가 성립함을 보이자. k=0,1,⋯ ,m−1\displaystyle k = 0 , 1 , \cdots , m - 1에 대하여 n−1−k≥2m−1−(m−1)=m≥0\displaystyle n - 1 - k \ge 2 m - 1 - ( m - 1 ) = m \ge 0이므로2n2+2n+k(n−1−k)≥2n2\displaystyle 2 n^{2} + 2 n + k ( n - 1 - k ) \ge 2 n^{2}이다. 즉 k=0,1,⋯ ,m−1\displaystyle k = 0 , 1 , \cdots , m - 1에 대하여 다음이 성립한다.n2n−k⋅nn+1+k=n22n2+2n+nk−k−k2≤n22n2≤(12)2\displaystyle \frac{n}{2n-k}\cdot\frac{n}{n+1+k}=\frac{n^2}{2n^2+2n+nk-k-k^2}\le\frac{n^2}{2n^2}\le\left(\frac1{\sqrt2}\right)^2따라서nn⋅n!(2n)!≤(12)2m=(12)n\displaystyle \frac{n^n\cdot n!}{(2n)!}\le\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{2m}=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^n이다.

그리고 n=1\displaystyle n = 1이면 위 부등식은 성립한다. n=2m−1\displaystyle n = 2 m - 1(m\displaystyle m은 2\displaystyle 2 이상의 자연수)이면,nn⋅n!(2n)!=n2n⋅n2n−1⋅⋯⋅n2n−(m−2)⋅n2n−(m−1)⋅nn+1+(m−2)⋅⋯⋅nn+2⋅nn+1\displaystyle \frac{{n^{n} \cdot n !}}{( 2 n ) !} = \frac{{n}}{2 n} \cdot \frac{{n}}{2 n - 1} \cdot \cdots \cdot \frac{{n}}{2 n - ( m - 2 )} \cdot \frac{{n}}{2 n - ( m - 1 )} \cdot \frac{{n}}{n + 1 + ( m - 2 )} \cdot \cdots \cdot \frac{{n}}{n + 2} \cdot \frac{{n}}{n + 1}이고, k=0,1,⋯ ,m−2\displaystyle k = 0 , 1 , \cdots , m - 2에 대하여 n−1−k≥2m−1−1−(m−2)=m≥0\displaystyle n - 1 - k \ge 2 m - 1 - 1 - ( m - 2 ) = m \ge 0이므로n2n−k⋅nn+1+k=n22n2+2n+nk−k−k2≤n22n2≤(12)2\displaystyle \frac{n}{2n-k}\cdot\frac{n}{n+1+k}=\frac{n^2}{2n^2+2n+nk-k-k^2}\le\frac{n^2}{2n^2}\le\left(\frac1{\sqrt2}\right)^2이다. 또한n2n−(m−1)=2m−13m−1=23−13⋅13m−1≤23≤12\displaystyle \frac{n}{2n-(m-1)}=\frac{2m-1}{3m-1}=\frac23-\frac13\cdot\frac1{3m-1}\le\frac23\le\frac1{\sqrt2}이므로,nn⋅n!(2n)!≤(12)2(m−1)⋅12=(12)n\displaystyle \frac{n^n\cdot n!}{(2n)!}\le\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{2(m-1)}\cdot\frac1{\sqrt2}=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^n이다.

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