수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (115점)

좌표평면에서 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표가 모두 정수인 점을 격자점이라 하자. 자연수 k\displaystyle k에 대하여, 아래 함수의 그래프로 둘러싸인 영역의 둘레와 내부에 있는 격자점의 개수를 ak\displaystyle a_k라 할 때, ∑k=1nak\displaystyle \sum_{k=1}^n a_k을 구하여라.

y=−2∣x∣+3⋅4k,y={x24k(x≥0)2k−x(x<0)\displaystyle y=-2|x|+3\cdot4^k,\qquad y=\begin{cases}\frac{x^2}{4^k}&(x\ge0)\\2^k\sqrt{-x}&(x<0)\end{cases}

해설강의 준비중

주어진 함수의 그래프는 오른쪽 그림과 같으므로 그래프로 둘러싸인 영역은 오른쪽 그림에서 A∪B∪C∪E\displaystyle \mathrm{A}\cup\mathrm{B}\cup\mathrm{C}\cup\mathrm{E}로 이루어진 영역과 같다. 그런데 y=2k−x (x<0)\displaystyle y=2^k\sqrt{-x}\ (x<0)는 y=x24k (x>0)\displaystyle y=\frac{x^2}{4^k}\ (x>0)의 역함수 y=2kx (x>0)\displaystyle y=2^k\sqrt{x}\ (x>0)의 y\displaystyle y축 대칭이므로, E 내부에 있는 격자점의 개수와 D 내부에 있는 격자점의 개수는 같다.

격자점의 개수를 비교하는 영역 A, B, C, D, E

따라서 영역 A∪B∪C∪D\displaystyle \mathrm{A}\cup\mathrm{B}\cup\mathrm{C}\cup\mathrm{D} (단, D의 왼쪽 경계와 아래 경계를 제외한 나머지 경계와 점 (−4k,4k)\displaystyle (-4^k,4^k)를 포함)에 있는 격자점의 개수를 bk\displaystyle b_k라 하고, 함수 y=x24k\displaystyle y=\frac{x^2}{4^k} (0≤x<4k\displaystyle 0\le x<4^k)의 그래프에 있는 격자점의 개수를 ck\displaystyle c_k라 하면ak=bk+ck\displaystyle a_k=b_k+c_k이다. bk\displaystyle b_k를 점 (−4k,4k)\displaystyle (-4^k,4^k)와 영역 A∪C∪D\displaystyle \mathrm{A}\cup\mathrm{C}\cup\mathrm{D} (D의 왼쪽 경계와 아래 경계를 제외한 나머지 경계는 포함)와 영역 B (B의 왼쪽 경계를 제외한 나머지 경계 포함)에 있는 점들로 나누어서 생각하면bk=1+∑i=04k−1(3⋅4k−2i)+∑i=14k(2⋅4k−2i+1)=3⋅16k+4k+1\displaystyle b_k=1+\sum_{i=0}^{4^k-1}(3\cdot4^k-2i)+\sum_{i=1}^{4^k}(2\cdot4^k-2i+1)=3\cdot16^k+4^k+1이다. ck\displaystyle c_k는 0≤x<4k\displaystyle 0\le x<4^k인 정수 중에서 2k\displaystyle 2^k로 나누어떨어지는 정수의 개수와 같다. 즉 ck\displaystyle c_k는 집합 {0≤x<2k∣x는 정수}\displaystyle \{0\le x<2^k\mid x\text{는 정수}\}의 원소의 개수이다. 따라서 ck=2k\displaystyle c_k=2^k이고 ak=3⋅16k+4k+2k+1\displaystyle a_k=3\cdot16^k+4^k+2^k+1이며∑k=1nak=∑k=1n(3⋅16k+4k+2k+1)=15⋅16n+1+13⋅4n+1+2n+1+n−9815\displaystyle \sum_{k=1}^n a_k=\sum_{k=1}^n(3\cdot16^k+4^k+2^k+1)=\frac15\cdot16^{n+1}+\frac13\cdot4^{n+1}+2^{n+1}+n-\frac{98}{15}이다.

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