6월 모의고사 미적분 29번 4점 킬러
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2027학년도 6월 모의고사 미적분 29번 풀이 | 등차수열 위치와 교대 등비급수

들어가기 앞서…

이 문제는 등차수열과 등비수열을 각각 따로 계산하면 경우가 늘어난다. 먼저 조건 (가), (나)가 말하는 세 값을 한 줄에 놓고, 등비수열의 감소 구조를 등차수열의 칸수로 바꾸는 것이 빠르다.

핵심은 양수인 등비급수가 수렴한다는 조건이 0<r<10<r<1을 강제한다는 점이다. 이 조건 하나로 b1>b2>b3b_1>b_2>b_3과 감소량 비교가 나오고, 자연수 kk의 후보가 거의 정리된다.

문제

2027학년도 6월 모의고사 미적분 29번 문제. 모든 항이 정수인 등차수열과 모든 항이 양수인 등비수열 조건에서 cos(a_n pi)가 붙은 등비급수 절댓값의 최솟값을 묻는 문항.
2027학년도 6월 모의고사 수학 미적분 29번 문제
문제 텍스트 주관식

모든 항이 정수인 등차수열 {an}\{a_n\}과 모든 항이 양수인 등비수열 {bn}\{b_n\}이 다음 조건을 만족시킨다.

(가)a1=b1,a4=b2\text{(가)}\quad a_1=b_1,\qquad a_4=b_2(나)어떤 자연수 k에 대하여 ak=b3이다.\text{(나)}\quad \text{어떤 자연수 } k \text{에 대하여 } a_k=b_3 \text{이다.}

급수 n=1bn\sum_{n=1}^{\infty}b_n이 수렴할 때,

n=1(bncos(anπ))\left|\sum_{n=1}^{\infty}\left(b_n\cos(a_n\pi)\right)\right|

의 최솟값을 mm이라 하자. 10×m10\times m의 값을 구하시오.

정답

54

풀이

먼저 세 값을 한 줄에 놓아 본다

조건 (가), (나)를 보면 등비수열의 앞 세 항이 등차수열의 몇 번째 항인지 연결되어 있다.

b1=a1,b2=a4,b3=akb_1=a_1,\qquad b_2=a_4,\qquad b_3=a_k

등비급수 bn\sum b_n이 수렴하고 모든 bnb_n이 양수이므로 등비수열의 공비 rr

0<r<10<r<1

이다. 그래서 b1>b2>b3b_1>b_2>b_3이고, 연속한 항 사이의 감소량은 점점 작아진다. 실제로 b1=ab_1=a, 공비가 rr이면

b1b2=a(1r),b2b3=ar(1r)b_1-b_2=a(1-r),\qquad b_2-b_3=ar(1-r)

이므로

b1b2>b2b3b_1-b_2>b_2-b_3

이다.

이제 이 세 값을 등차수열 위에 표시한다. 등차수열의 첫째항을 aa, 공차를 dd라 하자. b1=a1=ab_1=a_1=a, b2=a4=a+3db_2=a_4=a+3d이고 b1>b2b_1>b_2이므로 d<0d<0이다.

b3<b2=a4b_3<b_2=a_4이므로 ak<a4a_k<a_4이고, 등차수열이 감소하므로 k>4k>4이다.

감소량을 등차수열의 간격으로 바꾸면

b1b2=a1a4=3d,b2b3=a4ak=(k4)db_1-b_2=a_1-a_4=-3d,\qquad b_2-b_3=a_4-a_k=-(k-4)d

이다. 그런데 b1b2>b2b3b_1-b_2>b_2-b_3이고 d>0-d>0이므로

3>k43>k-4

이다. 따라서 k<7k<7이고, 자연수 kk는 다음 두 값뿐이다.

k=5,k=6k=5,\quad k=6

처음부터 복잡한 방정식을 세우는 대신, 등비수열의 감소량을 등차수열의 칸수 비교로 바꾼 것이 이 풀이의 출발점이다.

b_1=a_1, b_2=a_4, b_3=a_k를 등차수열 위에 놓고 양수 수렴 등비수열의 감소량 비교로 k=5 또는 6을 얻는 구조.
양수 수렴 등비수열의 감소량을 등차수열의 칸수로 비교한다.

공비도 같이 정해진다

위의 감소량 비교를 한 번 더 쓰면 공비 rr까지 바로 나온다. 등비수열에서는 두 감소량의 비가

b2b3b1b2=r\frac{b_2-b_3}{b_1-b_2}=r

이다. 등차수열의 간격으로는

b2b3b1b2=(k4)d3d=k43\frac{b_2-b_3}{b_1-b_2} =\frac{-(k-4)d}{-3d} =\frac{k-4}{3}

이므로

r=k43r=\frac{k-4}{3}

이다. 따라서

k=5r=13,k=6r=23k=5\Rightarrow r=\frac13,\qquad k=6\Rightarrow r=\frac23

이다. 이제 남은 일은 두 경우에서 등차수열의 공차가 정수라는 조건과 cos(anπ)\cos(a_n\pi)의 홀짝 효과를 확인하는 것이다.

k=5, k=6 및 t의 홀짝 조건에 따라 cos(a_n pi)의 부호가 일정하거나 교대하는 급수 최솟값 후보를 비교한 표.
k와 t의 홀짝에 따라 급수값 후보를 나누어 비교한다.

k=5인 경우

k=5k=5이면 r=13r=\frac13이다. 조건 a4=b2a_4=b_2a+3d=ara+3d=ar이므로

3d=a(131)=2a33d=a\left(\frac13-1\right)=-\frac{2a}{3}

이다. 따라서

d=2a9d=-\frac{2a}{9}

이다. a,da,d가 정수이고 a>0a>0이므로 a=9ta=9t라 둘 수 있고, 이때 d=2td=-2t이다.

그러면

an=9t+(n1)(2t)=t(112n)a_n=9t+(n-1)(-2t)=t(11-2n)

이다. 여기서 112n11-2n은 항상 홀수이므로 ana_n의 홀짝은 모든 nn에서 같다. 따라서 cos(anπ)\cos(a_n\pi)는 계속 같은 부호이고, 절댓값을 취하면 일반 등비급수의 합만 남는다.

이 경우의 값은

a1r=9t113=27t2\frac{a}{1-r} =\frac{9t}{1-\frac13} =\frac{27t}{2}

이고, 최솟값은 t=1t=1일 때 272\frac{27}{2}이다.

k=6인 경우

k=6k=6이면 r=23r=\frac23이다. 마찬가지로 a+3d=ara+3d=ar에서

3d=a(231)=a33d=a\left(\frac23-1\right)=-\frac{a}{3}

이므로

d=a9d=-\frac{a}{9}

이다. 따라서 a=9ta=9t, d=td=-t라 둘 수 있다.

이때

an=9t(n1)t=t(10n)a_n=9t-(n-1)t=t(10-n)

이다. 이제 tt의 홀짝에 따라 cos(anπ)\cos(a_n\pi)의 부호 변화가 달라진다.

tt가 짝수이면 모든 ana_n이 짝수이므로 부호가 일정하다. 이때 값은

9t123=27t\frac{9t}{1-\frac23}=27t

이고, 짝수 tt에서의 최소는 t=2t=2일 때 5454이다.

tt가 홀수이면 an=t(10n)a_n=t(10-n)의 홀짝이 한 항씩 바뀐다. 따라서 cos(anπ)\cos(a_n\pi)의 부호도 번갈아 바뀌고, 절댓값은 교대 등비급수의 합이 된다. 이때 값은

9t1+23=27t5\frac{9t}{1+\frac23} =\frac{27t}{5}

이다. 홀수 tt에서의 최소는 t=1t=1일 때 275\frac{27}{5}이다. 이 경우가 전체 후보 중 가장 작은 값을 만든다.

최솟값을 비교한다

가능한 최소 후보는 다음 세 가지이다.

272,54,275\frac{27}{2},\qquad 54,\qquad \frac{27}{5}

이 중 가장 작은 값은

m=275m=\frac{27}{5}

이다. 따라서

10m=10275=5410m=10\cdot\frac{27}{5}=54

이다.

원래 조건으로 빠르게 확인한다

최솟값은 k=6k=6, t=1t=1일 때 나온다. 이때 a=9a=9, d=1d=-1, r=23r=\frac23이므로

an=10n,bn=9(23)n1a_n=10-n,\qquad b_n=9\left(\frac23\right)^{n-1}

이다.

조건 (나)를 확인하면

b3=9(23)2=4,a6=4b_3=9\left(\frac23\right)^2=4,\qquad a_6=4

이다. 또 0<r<10<r<1이므로 등비급수 bn\sum b_n은 수렴한다.

마지막 합은 an=10na_n=10-n의 홀짝이 번갈아 바뀌므로

n=1bncos(anπ)=9+9239(23)2+=91+23=275\left|\sum_{n=1}^{\infty} b_n\cos(a_n\pi)\right| =\left|-9+9\cdot\frac23-9\left(\frac23\right)^2+\cdots\right| =\frac{9}{1+\frac23} =\frac{27}{5}

이다. 따라서 10m=5410m=54가 맞다.

학습 기록

기록 없음
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