첫째항과 공비가 각각 0이 아닌 두 등비수열 {an}, {bn}에 대하여 두 급수 n=1∑∞an, n=1∑∞bn이 각각 수렴하고
n=1∑∞anbn=(n=1∑∞an)×(n=1∑∞bn),
3×n=1∑∞∣a2n∣=7×n=1∑∞∣a3n∣
이 성립한다. n=1∑∞bnb2n−1+b3n+1=S일 때, 120S의 값을 구하시오.
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해설
등비수열 {an}의 첫째항을 a1, 공비를 r1, 등비수열 {bn}의 첫째항을 b1, 공비를 r2라 하면 두 급수 n=1∑∞an, n=1∑∞bn이 각각 수렴하므로
−1<r1<1, −1<r2<1∴n=1∑∞an=1−r1a1, n=1∑∞bn=1−r2b1
이때 수열 {anbn}은 첫째항이 a1b1, 공비가 r1r2인 등비수열이고 −1<r1r2<1이므로
n=1∑∞anbn=1−r1r2a1b1
즉 n=1∑∞anbn=n=1∑∞ann=1∑∞bn에서
1−r1r2a1b1=1−r1a1×1−r2b1∴r1+r2=2r1r2⋯⋯ ㉠
또 수열 {∣a2n∣}은 첫째항이 ∣a1r1∣, 공비가 r12인 등비수열이고, 수열 {∣a3n∣}은 첫째항이 ∣a1r12∣, 공비가 r13인 등비수열이며 0≤r12<1, 0≤r13<1이므로
n=1∑∞∣a2n∣=1−r12∣a1r1∣, n=1∑∞∣a3n∣=1−∣r13∣a1r12
따라서 3×n=1∑∞∣a2n∣=7×n=1∑∞∣a3n∣에서
1−r123∣a1r1∣=1−∣r13∣7a1r12
(ⅰ) r1>0일 때
1−r123=1−r137r1에서
3−3r13=7r1−7r13,
(2r1+3)(2r1−1)(r1−1)=0∴r1=21
즉 ㉠에서 21+r2=2×21×r2이므로 이를 만족시키는 r2는 존재하지 않는다.
(ⅱ) r1<0일 때
1−r123=1+r13−7r1에서
3+3r13=−7r1+7r13,
(2r1−3)(2r1+1)(r1+1)=0∴r1=−21
즉 ㉠에서 (−21)+r2=2×(−21)r2이므로 r2=41
(ⅰ), (ⅱ)에 의하여
n=1∑∞bnb2n−1+b3n+1=n=1∑∞b1(41)n−1b1{(41)2}n−1+b1{(41)3}n=n=1∑∞{(41)n−1+(41)2n+1}=1−411+1−161641=34+601=2027
따라서 S=2027이므로
120S=120×2027=162