수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 4번

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문제

[문제 4] (115점)

함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x ) (x≥1)\displaystyle ( x \ge 1 )가 다음을 만족한다.

모든 자연수 m\displaystyle m에 대하여 64m−1≤x<64m\displaystyle 64^{m - 1} \le x < 64^{m}이면 f(x)=8m\displaystyle f ( x ) = 8^{m}이다.

자연수 k\displaystyle k에 대하여 함수 y=1k3x2\displaystyle y = \frac{1}{k^{3}} x^{2}의 그래프와 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 교점의 개수를 ak\displaystyle a_{k}라 하자. n=2300\displaystyle n = 2^{300}일 때, ∑k=1nak\displaystyle \sum_{k = 1}^{n} {a_{k}}를 구하여라.

해설강의 준비중

자연수 m\displaystyle m에 대하여 64m−1≤x<64m\displaystyle 64^{m-1}\le x<64^m에서 포물선 y=1k3x2\displaystyle y = \frac{1}{k^{3}} x^{2}와 직선 y=8m\displaystyle y = 8^{m}의 교점의 개수는 0\displaystyle 0 혹은 1\displaystyle 1이다. 교점의 개수가 1\displaystyle 1일 필요충분조건은 642m−2k3≤8m<642mk3\displaystyle \frac{64^{2m-2}}{k^3}\le8^m<\frac{64^{2m}}{k^3}이다. 즉23m−4≤k<23m(1≤k≤2300)\displaystyle 2^{3m-4}\le k<2^{3m}\quad(1\le k\le2^{300}) ⋯\displaystyle \cdots ①이다. ∑k=12300ak\displaystyle \sum_{k=1}^{2^{300}}a_k는 ①을 만족시키는 자연수의 순서쌍 (k,m)\displaystyle ( k , m )의 개수와 같다. 따라서 각 m\displaystyle m에 대하여 bm\displaystyle b_{m}을 ①을 만족시키는 k\displaystyle k의 개수라 하면bm=n({k∣1≤k≤2300, 23m−4≤k<23m})={7(m=1)23m−23m−4(2≤m≤100)2300−2299+1(m=101)0(m>101)\displaystyle b_m=n\left(\left\{k\mid1\le k\le2^{300},\ 2^{3m-4}\le k<2^{3m}\right\}\right)=\begin{cases}7&(m=1)\\2^{3m}-2^{3m-4}&(2\le m\le100)\\2^{300}-2^{299}+1&(m=101)\\0&(m>101)\end{cases}이므로∑k=12300ak=∑m=1101bm=7+∑m=2100(23m−23m−4)+2300−2299+1=11⋅2300−47\displaystyle \sum_{k=1}^{2^{300}}a_k=\sum_{m=1}^{101}b_m=7+\sum_{m=2}^{100}(2^{3m}-2^{3m-4})+2^{300}-2^{299}+1=\frac{11\cdot2^{300}-4}7이다.

계단함수 y=f(x)와 여러 포물선 y=x²/k³의 교점

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