수리논술, 이게 다다.

자연계열 I (오전) 2번

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문제

[문제 2]

급수 12+m×22+32+m×42+52+m×62+⋯\displaystyle 1^2+m\times2^2+3^2+m\times4^2+5^2+m\times6^2+\cdots에서 첫째항부터 제n\displaystyle n번째 항까지의 부분합을 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, lim⁡n→∞Snn3\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{n^3}이 자연수가 되도록 하는 자연수 m\displaystyle m의 형태를 나타내시오. [10점]

해설강의 준비중

S2n−1=12+m×22+32+m×42+⋯+m×(2n−2)2+(2n−1)2=12+⋯+(2n−1)2+m{22+⋯+(2n−2)2}=∑k=1n{(2k−1)2+4m(k−1)2}=n(2n−1)3{2(m+1)n−(2m−1)}\displaystyle \begin{aligned}S_{2n-1}&=1^2+m\times2^2+3^2+m\times4^2+\cdots+m\times(2n-2)^2+(2n-1)^2\\&=1^2+\cdots+(2n-1)^2+m\{2^2+\cdots+(2n-2)^2\}\\&=\sum_{k=1}^n\{(2k-1)^2+4m(k-1)^2\}\\&=\frac{n(2n-1)}3\{2(m+1)n-(2m-1)\}\end{aligned}

S2n=12+m×22+32+m×42+⋯+(2n−1)2+m×(2n)2=12+⋯+(2n−1)2+m{22+⋯+(2n)2}=∑k=1n{(2k−1)2+4mk2}=n(2n+1)3{2(m+1)n+(2m−1)}\displaystyle \begin{aligned}S_{2n}&=1^2+m\times2^2+3^2+m\times4^2+\cdots+(2n-1)^2+m\times(2n)^2\\&=1^2+\cdots+(2n-1)^2+m\{2^2+\cdots+(2n)^2\}\\&=\sum_{k=1}^n\{(2k-1)^2+4mk^2\}\\&=\frac{n(2n+1)}3\{2(m+1)n+(2m-1)\}\end{aligned}

그러므로 극한을 계산하면 lim⁡n→∞Snn3=m+16\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{n^3}=\frac{m+1}6이 자연수가 되어야 한다.따라서 m=6k−1\displaystyle m=6k-1 (k\displaystyle k는 자연수) 또는 m=6k+5\displaystyle m=6k+5 (k\displaystyle k는 0\displaystyle 0 이상의 정수)의 형태이다.

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