대수수열의 합수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

등차수열 가중합 시그마

문제

첫째항이 11인 등차수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}에 대하여 수열 {bn}\left\{ b _{n} \right\}bn=a1+2a2+3a3++nanb _{n} = a _{1} + 2 a _{2} + 3 a _{3} + \cdots + na _{n} (n1)\left( n {\geq} 1 \right) 이라 하자. b10=715b _{10} = 715일 때, n=110bnn(n+1)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{10} \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)}의 값은? [4점] 30303535404045455050

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해설

[출제의도] 등차수열을 이용하여 수열의 합을 구한다. 등차수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 공차를 dd라 하면 an=1+(n1)da _{n} = 1 + \left( n - 1 \right) d이므로 bnb _{n}=k=1nk{1+(k1)d}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} k \left\{ 1 + \left( k - 1 \right) d \right\} =k=1n{dk2+(1d)k}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ dk ^{2} + \left( 1 - d \right) k \right\} =dk=1nk2+(1d)k=1nk\displaystyle = d \sum\limits _{k = 1} ^{n} k ^{2} + \left( 1 - d \right) \sum\limits _{k = 1} ^{n} k =dn(n+1)(2n+1)6+(1d)n(n+1)2\displaystyle = \frac{dn \left( n + 1 \right) \left( 2 n + 1 \right)}{6} + \frac{\left( 1 - d \right) n \left( n + 1 \right)}{2} =n(n+1)6×{d(2n+1)+3(1d)}\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left\{ d \left( 2 n + 1 \right) + 3 \left( 1 - d \right) \right\} =n(n+1)6×(2dn2d+3)\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left( 2 dn - 2 d + 3 \right) b10=715b _{10} = 715이므로 10×116×(20d2d+3)=715\displaystyle \frac{10 \times 11}{6} \times \left( 20 d - 2 d + 3 \right) = 715 18d+3=3918 d + 3 = 39 18d=3618 d = 36 d=2d = 2 bnb _{n}=n(n+1)6×(2×2×n2×2+3)\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left( 2 \times 2 \times n - 2 \times 2 + 3 \right) =n(n+1)6×(4n1)\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left( 4 n - 1 \right) bnn(n+1)=16(4n1)\displaystyle \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)} = \frac{1}{6} \left( 4 n - 1 \right) 따라서 n=110bnn(n+1)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{10} \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)}=n=11016(4n1)\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{10} \frac{1}{6} \left( 4 n - 1 \right)=16(22010)\displaystyle = \frac{1}{6} \left( 220 - 10 \right)=35= 35 [다른 풀이] 등차수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 공차를 dd라 하면 an=1+(n1)da _{n} = 1 + \left( n - 1 \right) d이므로 bnb _{n}=k=1nk{1+(k1)d}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} k \left\{ 1 + \left( k - 1 \right) d \right\} =k=1n{dk2+(1d)k}\displaystyle = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ dk ^{2} + \left( 1 - d \right) k \right\} =dk=1nk2+(1d)k=1nk\displaystyle = d \sum\limits _{k = 1} ^{n} k ^{2} + \left( 1 - d \right) \sum\limits _{k = 1} ^{n} k =dn(n+1)(2n+1)6+(1d)n(n+1)2\displaystyle = \frac{dn \left( n + 1 \right) \left( 2 n + 1 \right)}{6} + \frac{\left( 1 - d \right) n \left( n + 1 \right)}{2} =n(n+1)6×{d(2n+1)+3(1d)}\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left\{ d \left( 2 n + 1 \right) + 3 \left( 1 - d \right) \right\} =n(n+1)6×(2dn2d+3)\displaystyle = \frac{n \left( n + 1 \right)}{6} \times \left( 2 dn - 2 d + 3 \right) bnn(n+1)\displaystyle \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)}=32d+2dn6\displaystyle = \frac{3 - 2 d + 2 dn}{6}=12+(n1)d3\displaystyle = \frac{1}{2} + \left( n - 1 \right) \frac{d}{3} 이므로 수열 {bnn(n+1)}\displaystyle \left\{ \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)} \right\}은 첫째항이 12\displaystyle \frac{1}{2}이고 공차가 d3\displaystyle \frac{d}{3}인 등차수열이다. b10=715b _{10} = 715이므로 수열 {bnn(n+1)}\displaystyle \left\{ \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)} \right\}의 제1010항은 b1010×11=71510×11=132\displaystyle \frac{b _{10}}{10 \times 11} = \frac{715}{10 \times 11} = \frac{13}{2} 따라서 n=110bnn(n+1)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{10} \frac{b _{n}}{n \left( n + 1 \right)}=10×(12+132)2\displaystyle = \frac{10 \times \left( \frac{1}{2} + \frac{13}{2} \right)}{2}=10×72\displaystyle = \frac{10 \times 7}{2}=35= 35

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