미적분Ⅱ수열의 극한수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

절댓값 등비수열 극한

문제

함수 f(x)=x12x6\displaystyle f \left( x \right) = \frac{x - 1}{2 x - 6}33 이상의 자연수 kk에 대하여 limnf(3a)n+12n+1f(3+a)n=k\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| f \left( 3 - a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| 1 - f \left( 3 + a \right) \right| ^{n}}} = k 를 만족시키는 모든 실수 aa의 값의 합을 g(k)g \left( k \right)라 하자. k=317g(k)\displaystyle \sum\limits _{k = 3} ^{17} g \left( k \right)의 값은? [4점] 27\displaystyle - \frac{2}{7}1235\displaystyle - \frac{12}{35}25\displaystyle - \frac{2}{5}1635\displaystyle - \frac{16}{35}1835\displaystyle - \frac{18}{35}

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해설

[출제의도] 등비수열의 극한을 이용하여 수열의 합 문제 해결하기 함수 f(x)=x12x6\displaystyle f \left( x \right) = \frac{x - 1}{2 x - 6}에 대하여 f(3a)=(3a)12(3a)6=2a2a=a22a\displaystyle \left| f \left( 3 - a \right) \right| = \left| \frac{\left( 3 - a \right) - 1}{2 \left( 3 - a \right) - 6} \right| = \left| \frac{2 - a}{- 2 a} \right| = \left| \frac{a - 2}{2 a} \right| 1f(3+a)=1(3+a)12(3+a)6=a22a\displaystyle \left| 1 - f \left( 3 + a \right) \right| = \left| 1 - \frac{\left( 3 + a \right) - 1}{2 \left( 3 + a \right) - 6} \right| = \left| \frac{a - 2}{2 a} \right| 이다. h(a)=a22a\displaystyle h \left( a \right) = \frac{a - 2}{2 a}(a0)\left( a \ne 0 \right)라 하면 limnf(3a)n+12n+1f(3+a)n=limnh(a)n+12n+h(a)n\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| f \left( 3 - a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| 1 - f \left( 3 + a \right) \right| ^{n}}} = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| h \left( a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| h \left( a \right) \right| ^{n}}} 이다. (ⅰ) h(a)<2\left| h \left( a \right) \right| < 2일 때, h(a)2<1\displaystyle \left| \frac{h \left( a \right)}{2} \right| < 1이고 limnh(a)2n=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left| \frac{h \left( a \right)}{2} \right|} ^{n} = 0이므로 limnh(a)n+12n+h(a)n=limn2h(a)2n+11+h(a)2n=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| h \left( a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| h \left( a \right) \right| ^{n}}} = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{2 \left| \frac{h \left( a \right)}{2} \right| ^{n + 1}}{1 + \left| \frac{h \left( a \right)}{2} \right| ^{n}} = 0} 이 되어 k=0k = 0이다. (ⅱ) h(a)=2\left| h \left( a \right) \right| = 2일 때, limnh(a)n+12n+h(a)n=limn2n+12n+2n=1\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| h \left( a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| h \left( a \right) \right| ^{n}}} = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{2 ^{n + 1}}{2 ^{n} + 2 ^{n}} = 1} 이 되어 k=1k = 1이다. (ⅲ) h(a)>2\left| h \left( a \right) \right| > 2일 때, 2h(a)<1\displaystyle \left| \frac{2}{h \left( a \right)} \right| < 1이고 limn2h(a)n=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left| \frac{2}{h \left( a \right)} \right|} ^{n} = 0이므로 limnh(a)n+12n+h(a)n=limnh(a)2h(a)n+1=h(a)\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| h \left( a \right) \right| ^{n + 1}}{2 ^{n} + \left| h \left( a \right) \right| ^{n}}} = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left| h \left( a \right) \right|}{\left| \frac{2}{h \left( a \right)} \right| ^{n} + 1} = \left| h \left( a \right) \right|} 이다. h(a)=a22a=1a12=k\displaystyle \left| h \left( a \right) \right| = \left| \frac{a - 2}{2 a} \right| = \left| \frac{1}{a} - \frac{1}{2} \right| = k(k3k {\geq} 3인 자연수)를 만족시키는 aa를 구하면 1a12=k\displaystyle \frac{1}{a} - \frac{1}{2} = k일 때, a=22k+1\displaystyle a = \frac{2}{2 k + 1} 1a12=k\displaystyle \frac{1}{a} - \frac{1}{2} = - k일 때, a=22k1\displaystyle a = - \frac{2}{2 k - 1} 이다. 따라서 g(k)=2(12k112k+1)\displaystyle g \left( k \right) = - 2 \left( \frac{1}{2 k - 1} - \frac{1}{2 k + 1} \right)이다. k=317g(k)=2k=317(12k112k+1)\displaystyle \sum\limits _{k = 3} ^{17} g \left( k \right) = - 2 \sum\limits _{k = 3} ^{17} \left( \frac{1}{2 k - 1} - \frac{1}{2 k + 1} \right) =2(1517+1719++133135)\displaystyle = - 2 \left( \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{7} - \frac{1}{9} + \cdots + \frac{1}{33} - \frac{1}{35} \right) =2(15135)=1235\displaystyle = - 2 \left( \frac{1}{5} - \frac{1}{35} \right) = - \frac{12}{35}

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