수리논술, 이게 다다.

의예과 3번

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문제

[문항 3] 제시문 (ㄱ)~(ㅁ)을 읽고 논제에 답하시오. (180점)

(ㄱ) 자연수 n  (1≤n≤500)\displaystyle n\;(1\leq n\leq500)에 대하여 실수 a\displaystyle a는 다음과 같다.

a=sin⁡(n+1100)+sin⁡(n+2100)+sin⁡(n+3100)+⋯+sin⁡(n+100100)\displaystyle a=\sin\left(\frac{n+1}{100}\right)+\sin\left(\frac{n+2}{100}\right)+\sin\left(\frac{n+3}{100}\right)+\cdots+\sin\left(\frac{n+100}{100}\right)

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 n\displaystyle n과 a\displaystyle a에 대하여 a\displaystyle a의 값이 최대가 되도록 하는 n\displaystyle n의 값을 m\displaystyle m이라고 하자.

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 자연수 m\displaystyle m에 대하여 실수 b\displaystyle b는 다음과 같다.

b=cos⁡(m+1100)+cos⁡(m+2100)+cos⁡(m+3100)+⋯+cos⁡(m+100100)\displaystyle b=\cos\left(\frac{m+1}{100}\right)+\cos\left(\frac{m+2}{100}\right)+\cos\left(\frac{m+3}{100}\right)+\cdots+\cos\left(\frac{m+100}{100}\right)

(ㄹ) 제시문 (ㄷ)의 실수 b\displaystyle b에 대하여 집합 A\displaystyle A는 다음과 같다.

A={k∣2b−k>0,  k는 정수}\displaystyle A=\{k\mid2b-k>0,\;k\text{는 정수}\}

(ㅁ) [삼각함수의 성질과 원주율]

(가) sin⁡(π2+x)=sin⁡(π2−x),  cos⁡(π2+x)=−cos⁡(π2−x)\displaystyle \sin\left(\frac\pi2+x\right)=\sin\left(\frac\pi2-x\right),\;\cos\left(\frac\pi2+x\right)=-\cos\left(\frac\pi2-x\right)

(나) 원주율 π\displaystyle \pi의 값은 π=3.141592⋯\displaystyle \pi=3.141592\cdots임이 알려져 있고, 1.570<π2<1.571\displaystyle 1.570<\frac\pi2<1.571이다.

논제. (180점) 제시문 (ㄹ)의 집합 A\displaystyle A의 원소 중 가장 큰 값을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+40점

1≤n≤500\displaystyle 1\leq n\leq500이므로, n+100100\displaystyle \frac{n+100}{100}의 최댓값은 n=500\displaystyle n=500일 때 500+100100=6\displaystyle \frac{500+100}{100}=6이고, 제시문 (ㅁ)에 의해 6<2π\displaystyle 6<2\pi이다. n≥314\displaystyle n\geq314이면 sin⁡(n+1100),sin⁡(n+2100),⋯ ,sin⁡(n+100100)\displaystyle \sin\left(\frac{n+1}{100}\right),\sin\left(\frac{n+2}{100}\right),\cdots,\sin\left(\frac{n+100}{100}\right)은 모두 음수이므로 a\displaystyle a가 음수가 되어 최댓값이 될 수 없다. 어떤 자연수 k  (1≤k≤313)\displaystyle k\;(1\leq k\leq313)에 대하여 n=k\displaystyle n=k일 때의 a\displaystyle a의 값을 p\displaystyle p, n=k+1\displaystyle n=k+1일 때의 a\displaystyle a의 값을 q\displaystyle q라 하면 q−p=sin⁡(k+101100)−sin⁡(k+1100)\displaystyle q-p=\sin\left(\frac{k+101}{100}\right)-\sin\left(\frac{k+1}{100}\right)이다.

+40점

q−p\displaystyle q-p는 ∣k+101100−π2∣<∣k+1100−π2∣\displaystyle \left|\frac{k+101}{100}-\frac\pi2\right|<\left|\frac{k+1}{100}-\frac\pi2\right|이면 양수이고 ∣k+101100−π2∣>∣k+1100−π2∣\displaystyle \left|\frac{k+101}{100}-\frac\pi2\right|>\left|\frac{k+1}{100}-\frac\pi2\right|이면 음수가 되므로, 1≤k≤106\displaystyle 1\leq k\leq106이면 양수이고 107≤k≤313\displaystyle 107\leq k\leq313이면 음수이다. 따라서 k=107\displaystyle k=107일 때 최초로 q−p\displaystyle q-p가 음수가 되고 a\displaystyle a의 값이 최대가 되며 m=107\displaystyle m=107이다.

+50점

m=107\displaystyle m=107이므로 제시문 (ㄷ)의 b\displaystyle b는 b=cos⁡(1.08)+cos⁡(1.09)+⋯+cos⁡(2.07)\displaystyle b=\cos(1.08)+\cos(1.09)+\cdots+\cos(2.07)이고, 1.570≤π2≤1.571\displaystyle 1.570\leq\frac\pi2\leq1.571이므로 cos⁡(1.08),cos⁡(1.09),⋯ ,cos⁡(1.57)\displaystyle \cos(1.08),\cos(1.09),\cdots,\cos(1.57)은 양수, cos⁡(1.58),cos⁡(1.59),⋯ ,cos⁡(2.07)\displaystyle \cos(1.58),\cos(1.59),\cdots,\cos(2.07)은 음수이다.(1) 삼각함수의 성질에 의하여 다음이 성립한다.∣1.57−π2∣<∣1.58−π2∣⇒cos⁡(1.57)+cos⁡(1.58)<0\displaystyle \left|1.57-\frac\pi2\right|<\left|1.58-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.57)+\cos(1.58)<0∣1.56−π2∣<∣1.59−π2∣⇒cos⁡(1.56)+cos⁡(1.59)<0\displaystyle \left|1.56-\frac\pi2\right|<\left|1.59-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.56)+\cos(1.59)<0⋮\displaystyle \vdots∣1.08−π2∣<∣2.07−π2∣⇒cos⁡(1.08)+cos⁡(2.07)<0\displaystyle \left|1.08-\frac\pi2\right|<\left|2.07-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.08)+\cos(2.07)<0따라서,b=(cos⁡(1.57)+cos⁡(1.58))+⋯+(cos⁡(1.08)+cos⁡(2.07))<0\displaystyle b=(\cos(1.57)+\cos(1.58))+\cdots+(\cos(1.08)+\cos(2.07))<0이다.

+50점

(2) 비슷한 방법으로 1.56\displaystyle 1.56과 1.58\displaystyle 1.58부터 비교하면,∣1.56−π2∣>∣1.58−π2∣⇒cos⁡(1.56)+cos⁡(1.58)>0\displaystyle \left|1.56-\frac\pi2\right|>\left|1.58-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.56)+\cos(1.58)>0∣1.55−π2∣>∣1.59−π2∣⇒cos⁡(1.55)+cos⁡(1.59)>0\displaystyle \left|1.55-\frac\pi2\right|>\left|1.59-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.55)+\cos(1.59)>0⋮\displaystyle \vdots∣1.08−π2∣>∣2.06−π2∣⇒cos⁡(1.08)+cos⁡(2.06)>0\displaystyle \left|1.08-\frac\pi2\right|>\left|2.06-\frac\pi2\right|\quad\Rightarrow\quad\cos(1.08)+\cos(2.06)>0이고, 2.07=207100=621300<23π\displaystyle 2.07=\frac{207}{100}=\frac{621}{300}<\frac23\pi이므로 cos⁡(2.07)>cos⁡(23π)=−0.5\displaystyle \cos(2.07)>\cos\left(\frac23\pi\right)=-0.5이고, 따라서,b=cos⁡(1.57)+(cos⁡(1.56)+cos⁡(1.58))+⋯+(cos⁡(1.08)+cos⁡(2.06))+cos⁡(2.07)>−0.5\displaystyle b=\cos(1.57)+(\cos(1.56)+\cos(1.58))+\cdots+(\cos(1.08)+\cos(2.06))+\cos(2.07)>-0.5이다.따라서, (1)과 (2)에 의하여 2b\displaystyle 2b는 −1<2b<0\displaystyle -1<2b<0을 만족하고, k≤−1\displaystyle k\leq-1이면 2b−k>0\displaystyle 2b-k>0이고 k≥0\displaystyle k\geq0이면 2b−k<0\displaystyle 2b-k<0이므로 집합 A\displaystyle A는 모든 음의 정수의 집합이고 A\displaystyle A의 가장 큰 원소는 −1\displaystyle -1이다.

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