수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[제시문 2]

(식1) 1ab=X(1a−1b)\displaystyle \frac1{ab}=X\left(\frac1a-\frac1b\right)

(식2) 1abc=1c−a(1ab−1bc)=Y(1a−1b)+Z(1b−1c)\displaystyle \frac1{abc}=\frac1{c-a}\left(\frac1{ab}-\frac1{bc}\right)=Y\left(\frac1a-\frac1b\right)+Z\left(\frac1b-\frac1c\right)

(식1)이 항등식이 되기 위해서는 X=1b−a\displaystyle X=\frac1{b-a},또한 (식2)가 항등식이 되기 위해서는 Y=1(c−a)(b−a)\displaystyle Y=\frac1{(c-a)(b-a)}, Z=−1(c−a)(c−b)\displaystyle Z=\frac{-1}{(c-a)(c-b)}이어야 한다.Caution. 나누거나 약분할 때는 그 식이 0\displaystyle 0이 아닌지 확인해야 한다: 제시문과 대학 예시답안에 제시된 계수 계산식에는 a,b,c\displaystyle a,b,c, a1,…,a5\displaystyle a_1,\ldots,a_5뿐 아니라 이들 사이의 차도 분모로 나타난다. 따라서 이 계산식은 각 수가 0\displaystyle 0이 아니고 서로 다른 경우에 적용해야 한다. 소문항 2-2의 ai=x−i\displaystyle a_i=x-i는 주어진 적분 구간에서 이 조건을 만족하므로 적분값에는 영향이 없다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Caution. 해의 존재와 유일성은 구별하여 확인해야 한다: 제시된 Y,Z\displaystyle Y,Z는 (식2)를 만족하는 한 쌍이지만, 그 값만 가능한 것은 아니다. 예를 들어 Y=1c(b−a)\displaystyle Y=\frac1{c(b-a)}, Z=0\displaystyle Z=0으로 놓아도 Y(1a−1b)+Z(1b−1c)=1abc\displaystyle Y\left(\frac1a-\frac1b\right)+Z\left(\frac1b-\frac1c\right)=\frac1{abc}이다. 따라서 반드시 제시된 값이어야 한다는 설명은 옳지 않다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[문제2-1] 다음 식이 항등식이 되기 위한 X1\displaystyle X_1, X2\displaystyle X_2, X3\displaystyle X_3, X4\displaystyle X_4를 a1\displaystyle a_1, a2\displaystyle a_2, a3\displaystyle a_3, a4\displaystyle a_4, a5\displaystyle a_5를 이용하여 구하시오. [10점]

1a1a2a3a4a5=X1(1a1−1a2)+X2(1a2−1a3)+X3(1a3−1a4)+X4(1a4−1a5)\displaystyle \frac1{a_1a_2a_3a_4a_5}=X_1\left(\frac1{a_1}-\frac1{a_2}\right)+X_2\left(\frac1{a_2}-\frac1{a_3}\right)+X_3\left(\frac1{a_3}-\frac1{a_4}\right)+X_4\left(\frac1{a_4}-\frac1{a_5}\right)

[문제2-2] 1≤i≤n\displaystyle 1\leq i\leq n인 자연수 i\displaystyle i에 대하여 ai=x−i\displaystyle a_i=x-i라고 할 때, 정적분 ∫n+1n+21a1a2⋯an dx\displaystyle \int_{n+1}^{n+2}\frac1{a_1a_2\cdots a_n}\,dx의 값을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

[문제2-1]먼저, 1a1a2a3a4\displaystyle \frac1{a_1a_2a_3a_4}의 경우를 살펴보면 아래와 같다.1a1a2a3a4=1a4−a1(1a1a2a3−1a2a3a4)=1(a4−a1)(a3−a1)(a2−a1)(1a1−1a2)−{1(a4−a1)(a3−a1)(a3−a2)+1(a4−a1)(a4−a2)(a3−a2)}(1a2−1a3)+1(a4−a1)(a4−a2)(a4−a3)(1a3−1a4)\displaystyle \begin{aligned}\frac1{a_1a_2a_3a_4}&=\frac1{a_4-a_1}\left(\frac1{a_1a_2a_3}-\frac1{a_2a_3a_4}\right)=\frac1{(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_2-a_1)}\left(\frac1{a_1}-\frac1{a_2}\right)\\&\quad-\left\{\frac1{(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_3-a_2)}+\frac1{(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_3-a_2)}\right\}\left(\frac1{a_2}-\frac1{a_3}\right)\\&\quad+\frac1{(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_4-a_3)}\left(\frac1{a_3}-\frac1{a_4}\right)\end{aligned}

같은 방법으로 1a1a2a3a4a5\displaystyle \frac1{a_1a_2a_3a_4a_5}의 경우를 살펴보면 아래와 같다.1a1a2a3a4a5=1a5−a1(1a1a2a3a4−1a2a3a4a5)=1(a5−a1)(a4−a1)(a3−a1)(a2−a1)(1a1−1a2)−{1(a5−a1)(a4−a1)(a3−a1)(a3−a2)+1(a5−a1)(a4−a1)(a4−a2)(a3−a2)+1(a5−a1)(a5−a2)(a4−a2)(a3−a2)}(1a2−1a3)+{1(a5−a1)(a4−a1)(a4−a2)(a4−a3)+1(a5−a1)(a5−a2)(a4−a2)(a4−a3)+1(a5−a1)(a5−a2)(a5−a3)(a4−a3)}(1a3−1a4)−1(a5−a1)(a5−a2)(a5−a3)(a5−a4)(1a4−1a5)\displaystyle \begin{aligned}\frac1{a_1a_2a_3a_4a_5}&=\frac1{a_5-a_1}\left(\frac1{a_1a_2a_3a_4}-\frac1{a_2a_3a_4a_5}\right)\\&=\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_2-a_1)}\left(\frac1{a_1}-\frac1{a_2}\right)\\&\quad-\left\{\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_3-a_2)}+\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_3-a_2)}\right.\\&\left.\quad\qquad+\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_4-a_2)(a_3-a_2)}\right\}\left(\frac1{a_2}-\frac1{a_3}\right)\\&\quad+\left\{\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_4-a_3)}+\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_4-a_2)(a_4-a_3)}\right.\\&\left.\quad\qquad+\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_5-a_3)(a_4-a_3)}\right\}\left(\frac1{a_3}-\frac1{a_4}\right)\\&\quad-\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_5-a_3)(a_5-a_4)}\left(\frac1{a_4}-\frac1{a_5}\right)\end{aligned}

따라서, X1\displaystyle X_1, X2\displaystyle X_2, X3\displaystyle X_3, X4\displaystyle X_4는 아래와 같다.X1=1(a5−a1)(a4−a1)(a3−a1)(a2−a1)\displaystyle X_1=\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_2-a_1)}X2=−1(a5−a1)(a4−a1)(a3−a1)(a3−a2)−1(a5−a1)(a4−a1)(a4−a2)(a3−a2)−1(a5−a1)(a5−a2)(a4−a2)(a3−a2)\displaystyle \begin{aligned}X_2&=-\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_3-a_1)(a_3-a_2)}-\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_3-a_2)}\\&\quad-\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_4-a_2)(a_3-a_2)}\end{aligned}X3=1(a5−a1)(a4−a1)(a4−a2)(a4−a3)+1(a5−a1)(a5−a2)(a4−a2)(a4−a3)+1(a5−a1)(a5−a2)(a5−a3)(a4−a3)\displaystyle \begin{aligned}X_3&=\frac1{(a_5-a_1)(a_4-a_1)(a_4-a_2)(a_4-a_3)}+\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_4-a_2)(a_4-a_3)}\\&\quad+\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_5-a_3)(a_4-a_3)}\end{aligned}X4=−1(a5−a1)(a5−a2)(a5−a3)(a5−a4)\displaystyle X_4=-\frac1{(a_5-a_1)(a_5-a_2)(a_5-a_3)(a_5-a_4)}

[문제2-2]위 계산식에 ai=x−i\displaystyle a_i=x-i을 대입하여 정리하면 다음이 성립한다.1a1a2a3a4=−13!(1x−1−3x−2+3x−3−1x−4)\displaystyle \frac1{a_1a_2a_3a_4}=-\frac1{3!}\left(\frac1{x-1}-\frac3{x-2}+\frac3{x-3}-\frac1{x-4}\right)1a1a2a3a4a5=14!(1x−1−4x−2+6x−3−4x−4+1x−5)\displaystyle \frac1{a_1a_2a_3a_4a_5}=\frac1{4!}\left(\frac1{x-1}-\frac4{x-2}+\frac6{x-3}-\frac4{x-4}+\frac1{x-5}\right)따라서 다음이 성립함을 추측할 수 있고, 이를 수학적 귀납법을 사용하여 증명할 수 있다.1a1a2⋯an=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)kn−1Ck1x−k−1\displaystyle \frac1{a_1a_2\cdots a_n}=\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n-1}\mathrm C_k\frac1{x-k-1} (단, n\displaystyle n은 2\displaystyle 2이상의 자연수)(0C0=1\displaystyle {}_{0}\mathrm C_0=1으로 정하면 n=1\displaystyle n=1일 때도 상기 식은 1a1=1x−1\displaystyle \frac1{a_1}=\frac1{x-1}로 성립함.)

이로부터 다음 식을 얻는다.∫n+1n+21a1a2⋯an dx=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)kn−1Ck∫n+1n+21x−k−1 dx=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)kn−1Ck(ln⁡(n−k+1)−ln⁡(n−k))\displaystyle \begin{aligned}\int_{n+1}^{n+2}\frac1{a_1a_2\cdots a_n}\,dx&=\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n-1}\mathrm C_k\int_{n+1}^{n+2}\frac1{x-k-1}\,dx\\&=\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n-1}\mathrm C_k(\ln(n-k+1)-\ln(n-k))\end{aligned}이때 n−1Ck−1+n−1Ck=nCk\displaystyle {}_{n-1}\mathrm C_{k-1}+{}_{n-1}\mathrm C_k={}_{n}\mathrm C_k임을 이용하면=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)knCkln⁡(n−k+1)\displaystyle =\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n}\mathrm C_k\ln(n-k+1)=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)kn−1Ck(ln⁡(n−k+1)−ln⁡(n−k))\displaystyle =\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n-1}\mathrm C_k(\ln(n-k+1)-\ln(n-k))이때 n−1Ck−1+n−1Ck=nCk\displaystyle {}_{n-1}\mathrm C_{k-1}+{}_{n-1}\mathrm C_k={}_{n}\mathrm C_k임을 이용하면=(−1)n−1(n−1)!∑k=0n−1(−1)knCkln⁡(n−k+1)\displaystyle =\frac{(-1)^{n-1}}{(n-1)!}\sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k{}_{n}\mathrm C_k\ln(n-k+1)

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