미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

두 등비급수의 곱 조건

문제

첫째항과 공비가 각각 0\mathrm{0}이 아닌 두 등비수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}, {bn}\left\{ b _{n} \right\}에 대하여 두 급수 n=1an\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n}, n=1bn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} b _{n}이 각각 수렴하고 n=1anbn=(n=1an)×(n=1bn)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} b _{n} = \left( \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} \right) \times \left( \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} b _{n} \right), 3×n=1a2n=7×n=1a3n\displaystyle 3 \times \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{2 n} \right| = 7 \times \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{3 n} \right| 이 성립한다. n=1b2n1+b3n+1bn=S\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \frac{b _{2 n - 1} + b _{3 n + 1}}{b _{n}} = S일 때, 120S120 S의 값을 구하시오. [4점]

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162

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해설

등비수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 첫째항을 a1a _{1}, 공비를 r1r _{1}, 등비수열 {bn}\left\{ b _{n} \right\}의 첫째항을 b1b _{1}, 공비를 r2r _{2}라 하면 두 급수 n=1an\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n}, n=1bn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} b _{n}이 각각 수렴하므로 1<r1<1- 1 < r _{1} < 1, 1<r2<1- 1 < r _{2} < 1 \therefore n=1an\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n}=a11r1\displaystyle = \frac{a _{1}}{1 - r _{1}}, n=1bn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} b _{n}=b11r2\displaystyle = \frac{b _{1}}{1 - r _{2}} 이때 수열 {anbn}\left\{ a _{n} b _{n} \right\}은 첫째항이 a1b1a _{1} b _{1}, 공비가 r1r2r _{1} r _{2}인 등비수열이고 1<r1r2<1- 1 < r _{1} r _{2} < 1이므로 n=1anbn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} b _{n}=a1b11r1r2\displaystyle = \frac{a _{1} b _{1}}{1 - r _{1} r _{2}}n=1anbn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} b _{n}=n=1ann=1bn\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} a _{n} \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} b _{n}에서 a1b11r1r2\displaystyle \frac{a _{1} b _{1}}{1 - r _{1} r _{2}}=a11r1×b11r2\displaystyle = \frac{a _{1}}{1 - r _{1}} \times \frac{b _{1}}{1 - r _{2}} \therefore r1+r2=2r1r2r _{1} + r _{2} = 2 r _{1} r _{2} \cdots\cdots ㉠ 또 수열 {a2n}\left\{ \left| a _{2n} \right| \right\}은 첫째항이 a1r1\left| a _{1} r _{1} \right|, 공비가 r12r _{1} \mathit{^{2}}인 등비수열이고, 수열 {a3n}\left\{ \left| a _{3n} \right| \right\}은 첫째항이 a1r12\left| a _{1} r _{1\mathit{^{2}}} \right|, 공비가 r13\left| r _{1} \mathit{^{3}} \right|인 등비수열이며 0r12<10 \leq r _{1} \mathit{^{2}} < 1, 0r13<10 \leq \left| r _{1} \mathit{^{3}} \right| < 1이므로 n=1a2n\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{2n} \right|=a1r11r12\displaystyle = \frac{\left| a _{1} r _{1} \right|}{1 - r _{1\mathit{^{2}}}}, n=1a3n\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{3n} \right|=a1r121r13\displaystyle = \frac{\left| a _{1} r _{1} ^{2} \right|}{1 - \left| r _{1} \mathit{^{3}} \right|} 따라서 3×n=1a2n=7×n=1a3n\displaystyle 3 \times \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{2n} \right| = 7 \times \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left| a _{3n} \right|에서 3a1r11r12=7a1r121r13\displaystyle \frac{3 \left| a _{1} r _{1} \right|}{1 - r _{1\mathit{^{2}}}} = \frac{7 \left| a _{1} r _{1} ^{2} \right|}{1 - \left| r _{1} \mathit{^{3}} \right|} (ⅰ) r1>0r _{1} > 0일 때 31r12=7r11r13\displaystyle \frac{3}{1 - r _{1} ^{2}} = \frac{7 r _{1}}{1 - r _{1} ^{3}}에서 33r13=7r17r133 - 3 r _{1} ^{3} = 7 r _{1} - 7 r _{1} ^{3}, (2r1+3)(2r11)(r11)=0\left( 2 r _{1} + 3 \right) \left( 2 r _{1} - 1 \right) \left( r _{1} - 1 \right) = 0 \therefore r1=12\displaystyle r _{1} = \frac{1}{2} 즉 ㉠에서 12+r2=2×12×r2\displaystyle \frac{1}{2} + r _{2} = 2 \times \frac{1}{2} \times r _{2}이므로 이를 만족시키는 r2r _{2}는 존재하지 않는다. (ⅱ) r1<0r _{1} < 0일 때 31r12=7r11+r13\displaystyle \frac{3}{1 - r _{1} ^{2}} = \frac{- 7 r _{1}}{1 + r _{1} ^{3}}에서 3+3r13=7r1+7r133 + 3 r _{1} ^{3} = - 7 r _{1} + 7 r _{1} ^{3}, (2r13)(2r1+1)(r1+1)=0\left( 2 r _{1} - 3 \right) \left( 2 r _{1} + 1 \right) \left( r _{1} + 1 \right) = 0 \therefore r1=12\displaystyle r _{1} = - \frac{1}{2} 즉 ㉠에서 (12)+r2=2×(12)r2\displaystyle \left( - \frac{1}{2} \right) + r _{2} = 2 \times \left( - \frac{1}{2} \right) r _{2}이므로 r2=14\displaystyle r _{2} = \frac{1}{4} (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 n=1b2n1+b3n+1bn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \frac{b _{2n-1} + b _{3n+1}}{b _{n}} =n=1b1{(14)2}n1+b1{(14)3}nb1(14)n1\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \frac{b _{1} \left\{ \left( \frac{1}{4} \right) ^{2} \right\} ^{n-1} + b _{1} \left\{ \left( \frac{1}{4} \right) ^{3} \right\} ^{n}}{b _{1} \left( \frac{1}{4} \right) ^{n-1}} =n=1{(14)n1+(14)2n+1}\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left\{ \left( \frac{1}{4} \right) ^{n-1} + \left( \frac{1}{4} \right) ^{2n+1} \right\} =1114+1641116\displaystyle = \frac{1}{1 - \frac{1}{4}} + \frac{\frac{1}{64}}{1 - \frac{1}{16}} =43+160\displaystyle = \frac{4}{3} + \frac{1}{60} =2720\displaystyle = \frac{27}{20} 따라서 S=2720\displaystyle S = \frac{27}{20}이므로 120S120 S=120×2720\displaystyle = 120 \times \frac{27}{20}=162= 162

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