수리논술, 이게 다다.

자연계열 II (오후) 4번

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문제

[제시문]

좌표평면에서 네 직선 x=−13\displaystyle x=-\frac13, x+y=2\displaystyle x+y=2, y=15\displaystyle y=\frac15, y=43\displaystyle y=\frac43로 이루어지는 사각형을 D\displaystyle D라 하자. 자연수 n\displaystyle n에 대하여, 네 변이 좌표축에 평행한 정사각형 중 한 변의 길이가 12n\displaystyle \frac1{2^n}이고 각 꼭짓점의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표에 2n\displaystyle 2^n을 곱하여 각각 정수가 되는 정사각형들의 모임을 집합 Sn\displaystyle S_n이라 하자. 다음 물음에 답하시오.

[문제 4-1] Sn\displaystyle S_n의 원소 중에서 사각형 D\displaystyle D의 둘레 및 내부에 포함되는 모든 정사각형의 개수를 f(n)\displaystyle f(n)이라 하고, 실수 α\displaystyle \alpha에 대하여 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}을 bn=αn+ln⁡f(n)\displaystyle b_n=\alpha n+\ln f(n)이라 하자. 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}이 수렴하도록 하는 α\displaystyle \alpha의 값을 구하고, 이때 극한값 lim⁡n→∞bn\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n을 구하시오. [8점]

[문제 4-2] Sn\displaystyle S_n의 원소 중에서 사각형 D\displaystyle D의 둘레와 두 점 이상에서 만나는 모든 정사각형의 개수를 g(n)\displaystyle g(n)이라 하고, 실수 β\displaystyle \beta에 대하여 수열 {cn}\displaystyle \{c_n\}을 cn=βn+ln⁡g(n)\displaystyle c_n=\beta n+\ln g(n)이라 하자. 수열 {cn}\displaystyle \{c_n\}이 수렴하도록 하는 β\displaystyle \beta의 값을 구하고, 이때 극한값 lim⁡n→∞cn\displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n을 구하시오. [10점]

논술 도형의 근사와 극한

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[문제 4-1]Sn\displaystyle S_n의 원소 중에서 D\displaystyle D의 둘레 및 내부와 만나는 모든 정사각형의 개수를 h(n)\displaystyle h(n)이라 하자.사각형 D\displaystyle D의 넓이를 A\displaystyle A라 하면, f(n)\displaystyle f(n)과 h(n)\displaystyle h(n)의 정의에 따라식1 : 4−nf(n)≤A≤4−nh(n)\displaystyle 4^{-n}f(n)\leq A\leq4^{-n}h(n)사각형 D\displaystyle D의 네 변의 길이는 3215\displaystyle \frac{32}{15}, 1715\displaystyle \frac{17}{15}, 1\displaystyle 1, 17152\displaystyle \frac{17}{15}\sqrt2이다.2−n(h(n)−f(n))≤3215+1715+1+17215×12+4<10\displaystyle 2^{-n}(h(n)-f(n))\leq\frac{32}{15}+\frac{17}{15}+1+\frac{17\sqrt2}{15}\times\frac1{\sqrt2}+4<10식2 : 4−n(h(n)−f(n))<10×2−n\displaystyle 4^{-n}(h(n)-f(n))<10\times2^{-n}식1, 식2와 수열의 극한에 대한 성질에 의해 0≤lim⁡n→∞{A−4−nf(n)}≤lim⁡n→∞102n=0\displaystyle 0\leq\lim_{n\to\infty}\{A-4^{-n}f(n)\}\leq\lim_{n\to\infty}\frac{10}{2^n}=0이다.lim⁡n→∞4−nf(n)=A\displaystyle \lim_{n\to\infty}4^{-n}f(n)=A이다.bn=αn+ln⁡f(n)=ln⁡{f(n)eαn}\displaystyle b_n=\alpha n+\ln f(n)=\ln\{f(n)e^{\alpha n}\}이 수렴하려면 f(n)eαn\displaystyle f(n)e^{\alpha n}은 0\displaystyle 0이 아닌 양의 실수 m\displaystyle m으로 수렴해야한다.lim⁡n→∞4−nf(n)f(n)eαn=lim⁡n→∞(14eα)n=Am(Am≠0)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{4^{-n}f(n)}{f(n)e^{\alpha n}}=\lim_{n\to\infty}\left(\frac1{4e^\alpha}\right)^n=\frac Am\left(\frac Am\neq0\right)이므로 Am=1\displaystyle \frac Am=1이고, 4eα=1\displaystyle 4e^\alpha=1, α=−ln⁡4\displaystyle \alpha=-\ln4이다.이때 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 극한값은 ln⁡A\displaystyle \ln A이고 A=799450\displaystyle A=\frac{799}{450}이므로, lim⁡n→∞bn=ln⁡799450\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\ln\frac{799}{450}이다.

그림 : [문제4-1] 및 [문제4-2]에 관한 보충 자료

[문제 4-2]사각형 D\displaystyle D의 네 변의 길이는 3215\displaystyle \frac{32}{15}, 1715\displaystyle \frac{17}{15}, 1\displaystyle 1, 17152\displaystyle \frac{17}{15}\sqrt2이다.L1=1+3215+1715=6415\displaystyle L_1=1+\frac{32}{15}+\frac{17}{15}=\frac{64}{15}, L2=17152\displaystyle L_2=\frac{17}{15}\sqrt2, L=L1+L22=8115\displaystyle L=L_1+\frac{L_2}{\sqrt2}=\frac{81}{15}라고 하자.

사각형 D\displaystyle D의 x\displaystyle x축 또는 y\displaystyle y축과 평행한 세 변과 만나는 Sn\displaystyle S_n의 원소의 개수를 g1(n)\displaystyle g_1(n), 비스듬한 변과 만나는 Sn\displaystyle S_n의 원소의 개수를 g2(n)\displaystyle g_2(n)이라 하면,Comment. g1(n),g2(n)\displaystyle g_1(n),g_2(n)도 해당 변과 두 점 이상에서 만나는 정사각형을 센다. 특히 비스듬한 변과 꼭짓점 한 개에서만 만나는 정사각형은 세지 않는다.L1≤2−n(g1(n)+2)\displaystyle L_1\leq2^{-n}(g_1(n)+2), L22≤2−ng2(n)\displaystyle \frac{L_2}{\sqrt2}\leq2^{-n}g_2(n)이고L1+L22−2−n+1≤2−n(g1(n)+g2(n))\displaystyle L_1+\frac{L_2}{\sqrt2}-2^{-n+1}\leq2^{-n}(g_1(n)+g_2(n))을 만족한다.2−n(g1(n)−4)≤L1\displaystyle 2^{-n}(g_1(n)-4)\leq L_1, 2−n(g2(n)−2)≤L22\displaystyle 2^{-n}(g_2(n)-2)\leq\frac{L_2}{\sqrt2}이므로 2−n(g1(n)+g2(n))≤L1+L22+6×2−n\displaystyle 2^{-n}(g_1(n)+g_2(n))\leq L_1+\frac{L_2}{\sqrt2}+6\times2^{-n}이다.수열의 극한의 성질에 의해 lim⁡n→∞2−n(g1(n)+g2(n))=L1+L22=L\displaystyle \lim_{n\to\infty}2^{-n}(g_1(n)+g_2(n))=L_1+\frac{L_2}{\sqrt2}=L그리고 g(n)\displaystyle g(n), g1(n)\displaystyle g_1(n), g2(n)\displaystyle g_2(n)의 정의에 의해 g1(n)+g2(n)−4≤g(n)≤g1(n)+g2(n)\displaystyle g_1(n)+g_2(n)-4\leq g(n)\leq g_1(n)+g_2(n)이고2−n(g1(n)+g2(n)−4)≤2−ng(n)≤2−n(g1(n)+g2(n))\displaystyle 2^{-n}(g_1(n)+g_2(n)-4)\leq2^{-n}g(n)\leq2^{-n}(g_1(n)+g_2(n))이다.수열의 극한의 성질에 의해 lim⁡n→∞2−ng(n)=lim⁡n→∞2−n(g1(n)+g2(n))=L\displaystyle \lim_{n\to\infty}2^{-n}g(n)=\lim_{n\to\infty}2^{-n}(g_1(n)+g_2(n))=L이다.cn=βn+ln⁡g(n)=ln⁡{g(n)eβn}\displaystyle c_n=\beta n+\ln g(n)=\ln\{g(n)e^{\beta n}\}이 수렴하려면 g(n)eβn\displaystyle g(n)e^{\beta n}은 0\displaystyle 0이 아닌 양의 실수 c\displaystyle c로 수렴해야한다.lim⁡n→∞2−ng(n)g(n)eβn=lim⁡n→∞(12eβ)n=Lc(Lc≠0)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2^{-n}g(n)}{g(n)e^{\beta n}}=\lim_{n\to\infty}\left(\frac1{2e^\beta}\right)^n=\frac Lc\left(\frac Lc\neq0\right)이므로 Lc=1\displaystyle \frac Lc=1이고, 2eβ=1\displaystyle 2e^\beta=1, β=−ln⁡2\displaystyle \beta=-\ln2이다.이때 수열 {cn}\displaystyle \{c_n\}의 극한값은 ln⁡L\displaystyle \ln L이므로, lim⁡n→∞cn=ln⁡8115\displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n=\ln\frac{81}{15}이다.

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