좌표평면에서 네 직선 x=−31, x+y=2, y=51, y=34로 이루어지는 사각형을 D라 하자. 자연수 n에 대하여, 네 변이 좌표축에 평행한 정사각형 중 한 변의 길이가 2n1이고 각 꼭짓점의 x좌표와 y좌표에 2n을 곱하여 각각 정수가 되는 정사각형들의 모임을 집합 Sn이라 하자. 다음 물음에 답하시오.
[문제 4-1] Sn의 원소 중에서 사각형 D의 둘레 및 내부에 포함되는 모든 정사각형의 개수를 f(n)이라 하고, 실수 α에 대하여 수열 {bn}을 bn=αn+lnf(n)이라 하자. 수열 {bn}이 수렴하도록 하는 α의 값을 구하고, 이때 극한값 n→∞limbn을 구하시오. [8점]
[문제 4-2] Sn의 원소 중에서 사각형 D의 둘레와 두 점 이상에서 만나는 모든 정사각형의 개수를 g(n)이라 하고, 실수 β에 대하여 수열 {cn}을 cn=βn+lng(n)이라 하자. 수열 {cn}이 수렴하도록 하는 β의 값을 구하고, 이때 극한값 n→∞limcn을 구하시오. [10점]
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연세대 신촌캠퍼스 2021학년도 수시 자연계열 II (오후) 4번 · 해설강의 있음 · mathesis.kr/archive/yonsei_sinchon/2021su/jayeon2_4
[문제 4-1]Sn의 원소 중에서 D의 둘레 및 내부와 만나는 모든 정사각형의 개수를 h(n)이라 하자.사각형 D의 넓이를 A라 하면, f(n)과 h(n)의 정의에 따라식1 : 4−nf(n)≤A≤4−nh(n)사각형 D의 네 변의 길이는 1532, 1517, 1, 15172이다.2−n(h(n)−f(n))≤1532+1517+1+15172×21+4<10식2 : 4−n(h(n)−f(n))<10×2−n식1, 식2와 수열의 극한에 대한 성질에 의해 0≤n→∞lim{A−4−nf(n)}≤n→∞lim2n10=0이다.n→∞lim4−nf(n)=A이다.bn=αn+lnf(n)=ln{f(n)eαn}이 수렴하려면 f(n)eαn은 0이 아닌 양의 실수 m으로 수렴해야한다.n→∞limf(n)eαn4−nf(n)=n→∞lim(4eα1)n=mA(mA=0)이므로 mA=1이고, 4eα=1, α=−ln4이다.이때 수열 {bn}의 극한값은 lnA이고 A=450799이므로, n→∞limbn=ln450799이다.
[문제 4-2]사각형 D의 네 변의 길이는 1532, 1517, 1, 15172이다.L1=1+1532+1517=1564, L2=15172, L=L1+2L2=1581라고 하자.
사각형 D의 x축 또는 y축과 평행한 세 변과 만나는 Sn의 원소의 개수를 g1(n), 비스듬한 변과 만나는 Sn의 원소의 개수를 g2(n)이라 하면,Comment.g1(n),g2(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), 2L2≤2−ng2(n)이고L1+2L2−2−n+1≤2−n(g1(n)+g2(n))을 만족한다.2−n(g1(n)−4)≤L1, 2−n(g2(n)−2)≤2L2이므로 2−n(g1(n)+g2(n))≤L1+2L2+6×2−n이다.수열의 극한의 성질에 의해 n→∞lim2−n(g1(n)+g2(n))=L1+2L2=L그리고 g(n), g1(n), g2(n)의 정의에 의해 g1(n)+g2(n)−4≤g(n)≤g1(n)+g2(n)이고2−n(g1(n)+g2(n)−4)≤2−ng(n)≤2−n(g1(n)+g2(n))이다.수열의 극한의 성질에 의해 n→∞lim2−ng(n)=n→∞lim2−n(g1(n)+g2(n))=L이다.cn=βn+lng(n)=ln{g(n)eβn}이 수렴하려면 g(n)eβn은 0이 아닌 양의 실수 c로 수렴해야한다.n→∞limg(n)eβn2−ng(n)=n→∞lim(2eβ1)n=cL(cL=0)이므로 cL=1이고, 2eβ=1, β=−ln2이다.이때 수열 {cn}의 극한값은 lnL이므로, n→∞limcn=ln1581이다.