미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

등비급수와 부등식

문제

등비수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}n=1(an+an)=403\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( \left| a _{n} \right| + a _{n} \right) = \frac{40}{3}, n=1(anan)=203\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( \left| a _{n} \right| - a _{n} \right) = \frac{20}{3} 을 만족시킨다. 부등식 limnk=12n((1)k(k+1)2×am+k)>1700\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} \sum\limits _{k = 1} ^{2 n} \left( \left( - 1 \right) ^{\frac{k \left( k + 1 \right)}{2}} \times a _{m + k} \right) > \frac{1}{700} 을 만족시키는 모든 자연수 mm의 값의 합을 구하시오. [4점]

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25

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해설

n=1(an+an)=403\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( \left| a _{n} \right| + a _{n} \right) = \frac{40}{3}, n=1(anan)=203\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( \left| a _{n} \right| - a _{n} \right) = \frac{20}{3}이므로 n=1an=10\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{n} \right| = 10, n=1an=103\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} = \frac{10}{3} 등비급수 n=1an\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n}이 수렴하므로 등비수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 공비를 rr라 하면 1<r<1- 1 < r < 1 수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}이 등비수열이면 {an}\left\{ \left| a _{n} \right| \right\}도 등비수열이므로 등비수열 {an}\left\{ \left| a _{n} \right| \right\}의 공비는 r\left| r \right|이다. a11r=10\displaystyle \frac{\left| a _{1} \right|}{1 - \left| r \right|} = 10, a11r=103\displaystyle \frac{a _{1}}{1 - r} = \frac{10}{3} (ⅰ) 0r<10 \leq r < 1일 때 a1=1010r\left| a _{1} \right| = 10 - 10 r, a1=103103r\displaystyle a _{1} = \frac{10}{3} - \frac{10}{3} r이므로 1010r=103103r\displaystyle 10 - 10 r = \frac{10}{3} - \frac{10}{3} r 또는 1010r=103+103r\displaystyle 10 - 10 r = - \frac{10}{3} + \frac{10}{3} r \therefore r=1r = 1 그런데 0r<10 \leq r < 1이므로 조건을 만족시키지 않는다. (ⅱ) 1<r<0- 1 < r < 0일 때 a1=10+10r\left| a _{1} \right| = 10 + 10 r, a1=103103r\displaystyle a _{1} = \frac{10}{3} - \frac{10}{3} r이므로 10+10r=103103r\displaystyle 10 + 10 r = \frac{10}{3} - \frac{10}{3} r 또는 10+10r=103+103r\displaystyle 10 + 10 r = - \frac{10}{3} + \frac{10}{3} r r=12(1<r<0)\displaystyle r = - \frac{1}{2} \left( \because - 1 < r < 0 \right), a1=5a _{1} = 5 (ⅰ), (ⅱ)에서 a1=5a _{1} = 5, r=12\displaystyle r = - \frac{1}{2} k=12n{(1)k(k+1)2×am+k}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{2 n} \left\{ \left( - 1 \right) ^{\frac{k \left( k + 1 \right)}{2}} \times a _{m + k} \right\} =k=1n{(1)k(2k1)×am+2k1+(1)k(2k+1)×am+2k}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ \left( - 1 \right) ^{k \left( 2 k - 1 \right)} \times a _{m + 2 k - 1} + \left( - 1 \right) ^{k \left( 2 k + 1 \right)} \times a _{m + 2 k} \right\} =k=1n[(1)k{5×(12)m+2k2+5×(12)m+2k1}]\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left[ \left( - 1 \right) ^{k} \left\{ 5 \times \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m + 2 k - 2} + 5 \times \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m + 2 k - 1} \right\} \right] =k=1n{52×(12)m2×(14)k}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ \frac{5}{2} \times \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 2} \times \left( - \frac{1}{4} \right) ^{k} \right\} 이므로 limnk=12n{(1)k(k+1)2×am+k}\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{2 n} \left\{ \left( - 1 \right) ^{\frac{k \left( k + 1 \right)}{2}} \times a _{m + k} \right\}} =n=1{52×(12)m2×(14)n}\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left\{ \frac{5}{2} \times \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 2} \times \left( - \frac{1}{4} \right) ^{n} \right\} =58×(12)m21(14)\displaystyle = \frac{- \frac{5}{8} \times \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 2}}{1 - \left( - \frac{1}{4} \right)}=(12)m1\displaystyle = \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 1} (12)m1>1700\displaystyle \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 1} > \frac{1}{700}을 만족시키는 자연수 mm은 홀수이고, mm이 홀수이면 (12)m1=12m1>1700\displaystyle \left( - \frac{1}{2} \right) ^{m - 1} = \frac{1}{2 ^{m - 1}} > \frac{1}{700} 2m1<7002 ^{m - 1} < 700 이므로, 이를 만족시키는 홀수인 자연수 mm의 값의 합은 1+3+5+7+9=251 + 3 + 5 + 7 + 9 = 25

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