수리논술, 이게 다다.

의예과 4번

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문제

[문항 4] 제시문 (ㄱ)~(ㄹ)을 읽고 논제에 답하시오. (180점)

(ㄱ) 닫힌구간 [0,π4]\displaystyle \left[0,\frac\pi4\right]에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다.

f(x)=2∫0xtan⁡θsec⁡2θ dθ+1\displaystyle f(x)=2\int_0^x\tan\theta\sec^2\theta\,d\theta+1

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항은 다음과 같다.

an=14nf(π2n+2)\displaystyle a_n=\frac1{4^n}f\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에 대하여 S\displaystyle S는 다음과 같다.

S=∑n=1∞an\displaystyle S=\sum_{n=1}^{\infty}a_n

(ㄹ) [사인함수의 덧셈정리]

1) sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\displaystyle \sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta

2) α=β\displaystyle \alpha=\beta일 때, sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\displaystyle \sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha

논제. (180점) 제시문 (ㄷ)의 S\displaystyle S의 값을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+30점

치환적분법에 의해서 제시문 (ㄱ)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다.f(x)=2∫0xtan⁡θ(tan⁡θ)′dθ+1=[tan⁡2θ]0x+1=tan⁡2x+1=1cos⁡2x\displaystyle f(x)=2\int_0^x\tan\theta(\tan\theta)^{\prime}d\theta+1=\Biggl[\tan^2\theta\Biggr]_0^x+1=\tan^2x+1=\frac1{\cos^2x}

+10점

따라서 제시문 (ㄴ)의 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항은 다음과 같다.an=14ncos⁡2(π2n+2)\displaystyle a_n=\frac1{4^n\cos^2\left(\frac{\pi}{2^{n+2}}\right)}

+60점

사인함수의 덧셈정리에 의해서1sin⁡2(π22)=14sin⁡2(π21+2)×cos⁡2(π21+2)=14sin⁡2(π21+2)+14cos⁡2(π21+2)=14sin⁡2(π21+2)+a1\displaystyle \begin{aligned}\frac1{\sin^2\left(\frac\pi{2^2}\right)}&=\frac1{4\sin^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)\times\cos^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)}\\&=\frac1{4\sin^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)}+\frac1{4\cos^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)}=\frac1{4\sin^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)}+a_1\end{aligned}14sin⁡2(π21+2)=142sin⁡2(π22+2)+142cos⁡2(π22+2)=142sin⁡2(π22+2)+a2\displaystyle \begin{aligned}\frac1{4\sin^2\left(\frac\pi{2^{1+2}}\right)}&=\frac1{4^2\sin^2\left(\frac\pi{2^{2+2}}\right)}+\frac1{4^2\cos^2\left(\frac\pi{2^{2+2}}\right)}\\&=\frac1{4^2\sin^2\left(\frac\pi{2^{2+2}}\right)}+a_2\end{aligned}⋮\displaystyle \vdots14n−2sin⁡2(π2n−2+2)=14n−1sin⁡2(π2n−1+2)+14n−1cos⁡2(π2n−1+2)=14n−1sin⁡2(π2n−1+2)+an−1\displaystyle \begin{aligned}\frac1{4^{n-2}\sin^2\left(\frac\pi{2^{n-2+2}}\right)}&=\frac1{4^{n-1}\sin^2\left(\frac\pi{2^{n-1+2}}\right)}+\frac1{4^{n-1}\cos^2\left(\frac\pi{2^{n-1+2}}\right)}\\&=\frac1{4^{n-1}\sin^2\left(\frac\pi{2^{n-1+2}}\right)}+a_{n-1}\end{aligned}14n−1sin⁡2(π2n−1+2)=14nsin⁡2(π2n+2)+14ncos⁡2(π2n+2)=14nsin⁡2(π2n+2)+an\displaystyle \begin{aligned}\frac1{4^{n-1}\sin^2\left(\frac\pi{2^{n-1+2}}\right)}&=\frac1{4^n\sin^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}+\frac1{4^n\cos^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}\\&=\frac1{4^n\sin^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}+a_n\end{aligned}

+20점

모두 더하면∑k=1nak=1sin⁡2(π22)−14nsin⁡2(π2n+2)\displaystyle \sum_{k=1}^na_k=\frac1{\sin^2\left(\frac\pi{2^2}\right)}-\frac1{4^n\sin^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}

+40점

한편, lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}x=1이므로lim⁡n→∞14nsin⁡2(π2n+2)=16π2lim⁡n→∞(π2n+2sin⁡(π2n+2))2=16π2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{4^n\sin^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}=\frac{16}{\pi^2}\lim_{n\to\infty}\left(\frac{\frac\pi{2^{n+2}}}{\sin\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}\right)^2=\frac{16}{\pi^2}

+20점

따라서 제시문 (ㄷ)의 S\displaystyle S값은 다음과 같다.S=lim⁡n→∞(∑k=1nak)=1sin⁡2(π22)−lim⁡n→∞14nsin⁡2(π2n+2)=2−16π2\displaystyle S=\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{k=1}^na_k\right)=\frac1{\sin^2\left(\frac\pi{2^2}\right)}-\lim_{n\to\infty}\frac1{4^n\sin^2\left(\frac\pi{2^{n+2}}\right)}=2-\frac{16}{\pi^2}

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