미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

허근을 이용한 부분분수 무한급수

문제

방정식 x3+1=0x ^{3} + 1 = 0의 한 허근을 α\alpha라 할 때, k=11(kα)(kα2)\displaystyle \sum\limits _{k=1} ^{\infty} \frac{1}{( k - \alpha ) ( k - \alpha ^{2} )}의 값은? [4점] α\alphaα1\alpha - 11α1 - \alpha111- 1

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해설

x3+1=(x+1)(x2x+1)=0x ^{3} + 1 = ( x + 1 ) ( x ^{2} - x + 1 ) = 0이므로 α\alpha는 방정식 x2x+1=0x ^{2} - x + 1 = 0의 근이다. ∴ α2α+1=0\alpha ^{2} - \alpha + 1 = 01(kα)(kα2)\displaystyle \frac{1}{( k - \alpha ) ( k - \alpha ^{2} )} ==1(kα)(k+1α)\displaystyle \frac{1}{( k - \alpha ) ( k + 1 - \alpha )}=1kα1k+1α\displaystyle = \frac{1}{k - \alpha} - \frac{1}{k + 1 - \alpha} k=1n1(kα)(kα2)\displaystyle \sum\limits _{k=1} ^{n} \frac{1}{( k - \alpha ) ( k - \alpha ^{2} )}=k=1n(1kα1k+1α)\displaystyle = \sum\limits _{k=1} ^{n} \left( \frac{1}{k - \alpha} - \frac{1}{k + 1 - \alpha} \right) =11α1n+1α\displaystyle = \frac{1}{1 - \alpha} - \frac{1}{n + 1 - \alpha}k=11(kα)(kα2)\displaystyle \sum\limits _{k=1} ^{\infty} \frac{1}{( k - \alpha ) ( k - \alpha ^{2} )}=limn(11α1n+1α)\displaystyle = \lim\limits _{n\rightarrow \infty} \left( \frac{1}{1 - \alpha} - \frac{1}{n + 1 - \alpha} \right) =11α+limt+0t1+(1α)t\displaystyle = \frac{1}{1 - \alpha} + \lim\limits _{t\rightarrow +0} \frac{t}{1 + ( 1 - \alpha ) t} =11α+01+0\displaystyle = \frac{1}{1 - \alpha} + \frac{0}{1 + 0} =1α2\displaystyle = - \frac{1}{\alpha ^{2}} (∵ α2α+1=0\alpha ^{2} - \alpha + 1 = 0) =α= \alpha (∵ α3=1\alpha ^{3} = - 1)

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