수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (95점)

자연수 n\displaystyle n에 대해여

Correction. ‘대해여’는 ‘대하여’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

f(x)=4(log⁡2n)cos⁡x+4(log⁡4n)2−12,g(x)={4sin⁡2x(∣x∣≤2nπ)−17(∣x∣>2nπ)\displaystyle f(x)=4(\log_{2}n)\cos x+4(\log_{4}n)^{2}-12,\qquad g(x)=\begin{cases}4\sin^{2}x & (|x|\le2n\pi) \\ -17 & (|x|>2n\pi)\end{cases}

라 하자. 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프의 교점의 개수를 an\displaystyle a_{n}이라 할 때, ∑k=12022ak\displaystyle \sum_{k=1}^{2022}a_{k}의 값을 구하여라.

해설강의 준비중
+15점 · 주어진 구간 밖에서 교점이 없음을 보인다.

자연수 n\displaystyle n에 대해서 log⁡2n≥0\displaystyle \log_{2}n\ge0이므로f(x)≥4(log⁡2n)(−1)+(log⁡2n)2−12=(log⁡2n−2)2−16>−17\displaystyle f(x)\ge4(\log_{2}n)(-1)+(\log_{2}n)^{2}-12=(\log_{2}n-2)^{2}-16>-17이다.

+25점 · 교점의 조건을 정리하고 교점이 존재하는 n\displaystyle n의 범위를 구한다.

따라서 ∣x∣>2nπ\displaystyle |x|>2n\pi에서 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 만나지 않고, ∣x∣≤2nπ\displaystyle |x|\le2n\pi에서 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)를 정리하면(cos⁡x+2+log⁡2n2)(cos⁡x−2+log⁡2n2)=0\displaystyle \left(\cos x+2+\frac{\log_{2}n}{2}\right)\left(\cos x-2+\frac{\log_{2}n}{2}\right)=0이다.자연수 n\displaystyle n에 대하여 −2−12log⁡2n≤−2\displaystyle -2-\frac{1}{2}\log_{2}n\le-2이고 −1≤cos⁡x≤1\displaystyle -1\le\cos x\le1이므로,cos⁡x=2−12log⁡2n\displaystyle \cos x=2-\frac{1}{2}\log_{2}n이다.

+40점 · 경계인 경우를 포함하여 교점의 개수 an\displaystyle a_{n}을 올바르게 구한다.

위 방정식은 4≤n≤64\displaystyle 4\le n\le64일 때에만 해를 가지므로, 1≤n≤3\displaystyle 1\le n\le3 또는 n≥65\displaystyle n\ge65이면 an=0\displaystyle a_{n}=0이고 4≤n≤64\displaystyle 4\le n\le64이면 an\displaystyle a_{n}은 다음과 같다.(i) n=4\displaystyle n=4일 때, ∣x∣≤8π\displaystyle |x|\le8\pi에서 방정식 cos⁡x=1\displaystyle \cos x=1의 해의 개수는 9\displaystyle 9이므로, a4=9\displaystyle a_{4}=9이다.(ii) 5≤n≤63\displaystyle 5\le n\le63일 때, ∣x∣≤2nπ\displaystyle |x|\le2n\pi에서 방정식 cos⁡x=2−12log⁡2n\displaystyle \cos x=2-\frac{1}{2}\log_{2}n의 해의 개수는 4n\displaystyle 4n이므로, an=4n\displaystyle a_{n}=4n이다.(iii) n=64\displaystyle n=64일 때, ∣x∣≤128π\displaystyle |x|\le128\pi에서 방정식 cos⁡x=−1\displaystyle \cos x=-1의 해의 개수는 128\displaystyle 128이므로, a64=128\displaystyle a_{64}=128이다.

+15점 · 교점의 개수의 합을 올바르게 계산한다.

그러므로∑k=12022ak=9+∑k=5634k+128=8161\displaystyle \sum_{k=1}^{2022}a_{k}=9+\sum_{k=5}^{63}4k+128=8161이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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