수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

【문제 1】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

(가) 두 수열 {xn}\displaystyle \{x_n\}, {zn}\displaystyle \{z_n\}에 대하여 lim⁡n→∞xn=lim⁡n→∞zn=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n=\lim_{n\to\infty}z_n=\alpha (α\displaystyle \alpha는 상수)일 때, 수열 {yn}\displaystyle \{y_n\}이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 xn≤yn≤zn\displaystyle x_n\le y_n\le z_n이면, lim⁡n→∞yn=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}y_n=\alpha이다.

(나) 무한급수 ∑n=1∞xn=x1+x2+⋯+xn+⋯\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}x_n=x_1+x_2+\cdots+x_n+\cdots의 수렴, 발산은 급수의 n\displaystyle n항까지의 부분합 Sn=∑k=1nxk\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^nx_k의 수열 {Sn}\displaystyle \{S_n\}의 수렴, 발산으로 정의한다.

[문제 1-1] 제시문 (가)를 이용하여, 극한값 lim⁡n→∞(1n2+1+2n2+2+⋯+nn2+n)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac1{n^2+1}+\frac2{n^2+2}+\cdots+\frac n{n^2+n}\right)을 구하시오.(15점)

[문제 1-2] 제시문 (나)를 이용하여, 급수 ∑n=1∞2(2n−1)(2n+3)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac2{(2n-1)(2n+3)}의 수렴, 발산을 조사하고, 수렴하면 극한값을 구하시오.(15점)

해설강의 준비중

[문제 1-1] (답) 12\displaystyle \frac12

(풀이) 자연수 n\displaystyle n에 대하여, 1n2+n≤1n2+k≤1n2+1 (1≤k≤n)\displaystyle \frac1{n^2+n}\le\frac1{n^2+k}\le\frac1{n^2+1}\ (1\le k\le n)를 이용한다.그러므로 다음 부등식(1+2+⋯+n)n2+n≤1n2+1+2n2+2+⋯+nn2+n≤(1+2+⋯+n)n2+1\displaystyle \frac{(1+2+\cdots+n)}{n^2+n}\le\frac1{n^2+1}+\frac2{n^2+2}+\cdots+\frac n{n^2+n}\le\frac{(1+2+\cdots+n)}{n^2+1}가 성립한다. 따라서lim⁡n→∞(1+2+⋯+n)n2+n=lim⁡n→∞n(n+1)2n2+n=12,lim⁡n→∞(1+2+⋯+n)n2+1=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{(1+2+\cdots+n)}{n^2+n}=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{n(n+1)}2}{n^2+n}=\frac12,\quad\lim_{n\to\infty}\frac{(1+2+\cdots+n)}{n^2+1}=\frac12이므로, 제시문 (가)에 의하여,lim⁡n→∞(1n2+1+2n2+2+⋯+nn2+n)=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac1{n^2+1}+\frac2{n^2+2}+\cdots+\frac n{n^2+n}\right)=\frac12이다.

[문제 1-2] (답) 23\displaystyle \frac23

(풀이)

자연수 n\displaystyle n에 대하여, 2(2n−1)(2n+3)=12(12n−1−12n+3)\displaystyle \frac2{(2n-1)(2n+3)}=\frac12\left(\frac1{2n-1}-\frac1{2n+3}\right)을 이용한다. 그러므로 급수의 부분합 Sn=∑k=1n1(2k−1)(2k+3)\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^n\frac1{(2k-1)(2k+3)}을 구하면,Correction. 급수의 부분합을 구하는 식의 분자 1은 2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Sn=∑k=1n2(2k−1)(2k+3)=∑k=1n12(12k−1−12k+3)=12(11−15+13−17+15−19+⋯+12n−1−12n+3)=12(11+13−12n+1−12n+3)\displaystyle \begin{aligned}S_n&=\sum_{k=1}^n\frac2{(2k-1)(2k+3)}=\sum_{k=1}^n\frac12\left(\frac1{2k-1}-\frac1{2k+3}\right)\\&=\frac12\left(\frac11-\frac15+\frac13-\frac17+\frac15-\frac19+\cdots+\frac1{2n-1}-\frac1{2n+3}\right)\\&=\frac12\left(\frac11+\frac13-\frac1{2n+1}-\frac1{2n+3}\right)\end{aligned}이다. 따라서 제시문 (나)에 의하여, 극한값은lim⁡n→∞Sn=12(11+13)=23\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=\frac12\left(\frac11+\frac13\right)=\frac23이고, 급수는 수렴한다.

[문제 1-1] (15점)(상) 답이 맞고 그 이유(비교 부등식)를 명확히 제시한 경우(중상) 답은 맞지만 그 이유(비교 부등식)를 잘못 제시한 경우(중하) 답은 틀렸지만 부등식도 꾸미고 노력한 경우(하) 전혀 엉뚱한 설명을 한 경우

[문제 1-2] (15점)(상) 답이 맞고 그 이유(부분합의 극한)를 명확히 제시한 경우(중상) 답은 맞지만 그 이유(부분합)의 표현이 정확하지 못한 경우(중하) 답은 틀렸지만 부분합을 설명하고 노력한 경우(하) 전혀 엉뚱한 설명을 한 경우

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