수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (100점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 an=∑k=12n(−1)k+1k\displaystyle a_n=\sum_{k=1}^{2n}\frac{(-1)^{k+1}}k라 할 때, 다음 물음에 답하여라.

(a) 0≤x≤1\displaystyle 0 \le x \le 1일 때, 다음 부등식이 성립함을 보여라. (40점)

1+∑k=12n−1(−x)k≤11+x≤1+∑k=12n(−x)k\displaystyle 1+\sum_{k=1}^{2n-1}(-x)^k\le\frac1{1+x}\le1+\sum_{k=1}^{2n}(-x)^k

(b) lim⁡n→∞an\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n의 값을 구하여라. (60점)

해설강의 준비중

(a) x≠−1\displaystyle x\ne-1이므로1+∑k=12n−1(−x)k=1+−x(1−(−x)2n−1)1−(−x)=1+x−x−x2n1+x=1−x2n1+x\displaystyle 1 + \sum_{k = 1}^{2 n - 1} ( - x )^{k} = 1 + \frac{{- x ( 1 - ( - x )^{2 n - 1} )}}{1 - ( - x )} = \frac{{1 + x - x - x^{2 n}}}{1 + x} = \frac{{1 - x^{2 n}}}{1 + x}이고1+∑k=12n(−x)k=1+−x(1−(−x)2n)1−(−x)=1+x−x+x2n+11+x=1+x2n+11+x\displaystyle 1 + \sum_{k = 1}^{2 n} ( - x )^{k} = 1 + \frac{{- x ( 1 - ( - x )^{2 n} )}}{1 - ( - x )} = \frac{{1 + x - x + x^{2 n + 1}}}{1 + x} = \frac{{1 + x^{2 n + 1}}}{1 + x}이다. 한편 0≤x≤1\displaystyle 0 \le x \le 1이면, 1−x2n≤1≤1+x2n+1\displaystyle 1-x^{2n}\le1\le1+x^{2n+1}이고 1+x>0\displaystyle 1 + x > 0이므로 다음이 성립한다.1−x2n1+x≤11+x≤1+x2n+11+x\displaystyle \frac{1-x^{2n}}{1+x}\le\frac1{1+x}\le\frac{1+x^{2n+1}}{1+x}따라서1+∑k=12n−1(−x)k≤11+x≤1+∑k=12n(−x)k\displaystyle 1+\sum_{k=1}^{2n-1}(-x)^k\le\frac1{1+x}\le1+\sum_{k=1}^{2n}(-x)^k이다.

(b) an\displaystyle a_{n}은 적분을 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.an=∑k=12n(−1)k+1k=∑k=12n∫01(−x)k−1dx=∫01(1+∑k=12n−1(−x)k)dx\displaystyle a_{n} = \sum_{k = 1}^{2 n} \frac{{( - 1 )^{k + 1}}}{k} = \sum_{k = 1}^{2 n} \int_{0}^{1} {} ( - x )^{k - 1} d x = \int_{0}^{1} {} \left( 1 + \sum_{k = 1}^{2 n - 1} ( - x )^{k} \right) d x따라서 문항 (a)의 첫 번째 부등식에 의해an≤∫011x+1dx=ln⁡2\displaystyle a_{n} \leq \int_{0}^{1} {\frac{1}{x + 1} d x} = \ln 2이다. 또한an=∫01(1+∑k=12n−1(−x)k)dx=∫01(1+∑k=12n(−x)k)dx−∫01x2ndx=∫01(1+∑k=12n(−x)k)dx−12n+1\displaystyle \begin{aligned}a_{n} &= \int_{0}^{1} {} \left( 1 + \sum_{k = 1}^{2 n - 1} ( - x )^{k} \right) d x \\ &= \int_{0}^{1} {} \left( 1 + \sum_{k = 1}^{2 n} ( - x )^{k} \right) d x - \int_{0}^{1} {x^{2 n} d x} \\ &= \int_{0}^{1} {} \left( 1 + \sum_{k = 1}^{2 n} ( - x )^{k} \right) d x - \frac{{1}}{2 n + 1}\end{aligned}이므로, 문항 (a)의 두 번째 부등식에 의해an≥∫011x+1dx−12n+1=ln⁡2−12n+1\displaystyle a_{n} \geq \int_{0}^{1} {\frac{{1}}{x + 1} d x} - \frac{{1}}{2 n + 1} = \ln 2 - \frac{{1}}{2 n + 1}이다. 따라서ln⁡2−12n+1≤an≤ln⁡2\displaystyle \ln2-\frac1{2n+1}\le a_n\le\ln2이므로 수열의 극한값의 대소 관계에 의해 lim⁡n→∞an=ln⁡2\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\ln2이다.

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