수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

논제 1.

+5점 · F(t)=tet\displaystyle F(t)=\frac{t}{e^t}의 증가·감소와 수렴 조건

급수 n=1tnetn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^n}{e^{tn}}은 첫째항과 공비가 tet\displaystyle \frac{t}{e^t}인 등비급수이다.함수 F(t)=tet\displaystyle F(t)=\frac{t}{e^t}에 대하여 F(t)=1tet\displaystyle F^{\prime}(t)=\frac{1-t}{e^t}이므로 F(t)=tet\displaystyle F(t)=\frac{t}{e^t}는 구간 (,1]\displaystyle (-\infty,1]에서 증가, 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 감소하는 함수이고 t=1\displaystyle t=1에서 최댓값 1e\displaystyle \frac1e를 가진다.또한 limtF(t)=0,  limtF(t)=,  F(0)=0\displaystyle \lim_{t\to\infty}F(t)=0,\;\lim_{t\to-\infty}F(t)=-\infty,\;F(0)=0이므로 조건 (가)로부터 a<0\displaystyle a<0이고 F(a)=1\displaystyle F(a)=-1이다.

+5점 · M=1e1\displaystyle M=\frac1{e-1}이다.

따라서 t>a\displaystyle t>a인 실수 t\displaystyle t에 대하여 r=tet\displaystyle r=\frac{t}{e^t}라고 하면 1<r1e\displaystyle -1<r\leq\frac1e이고 급수 n=1tnetn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^n}{e^{tn}}의 합은 r1r\displaystyle \frac{r}{1-r}이다.그러므로 급수 n=1tnetn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^n}{e^{tn}}의 합은 r=1e\displaystyle r=\frac1e, 즉 t=1\displaystyle t=1일 때 최대이며 그 합은 n=11en=1e1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac1{e^n}=\frac1{e-1}이다.t>a\displaystyle t>a인 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=t\displaystyle x=t에서의 함숫값은 급수 n=1tnetn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^n}{e^{tn}}의 합과 같으므로 M=1e1\displaystyle M=\frac1{e-1}이다.

논제 2.

+8점 · 부등식의 필요충분조건은 cosαsinα\displaystyle \cos\alpha\leq\sin\alpha이다.

함수 F(t)=tet\displaystyle F(t)=\frac{t}{e^t}가 구간 (,1]\displaystyle (-\infty,1]에서 증가하고, cosα1,  sinα1\displaystyle |\cos\alpha|\leq1,\;|\sin\alpha|\leq1이므로F(cosα)=cosαecosαsinαesinα=F(sinα)\displaystyle F(\cos\alpha)=\frac{\cos\alpha}{e^{\cos\alpha}}\leq\frac{\sin\alpha}{e^{\sin\alpha}}=F(\sin\alpha)일 필요충분조건은 cosαsinα\displaystyle \cos\alpha\leq\sin\alpha이다.

+2점 · A=[π4,5π4]\displaystyle A=\left[\frac\pi4,\frac{5\pi}4\right]이다.

0α2π\displaystyle 0\leq\alpha\leq2\pi이므로 cosαsinα\displaystyle \cos\alpha\leq\sin\alpha일 필요충분조건은 π4α5π4\displaystyle \frac\pi4\leq\alpha\leq\frac{5\pi}4이다.따라서 A=[π4,5π4]\displaystyle A=\left[\frac\pi4,\frac{5\pi}4\right]이다.

+2점 · S=02πq(x)dx\displaystyle S=\int_0^{2\pi}|q(x)|dx이다.

q(x)=g(x)h(x)=ecosxsinxesinxcosx\displaystyle q(x)=g(x)-h(x)=e^{\cos x}\sin x-e^{\sin x}\cos x라고 하면구하고자 하는 도형의 넓이는 S=02πq(x)dx\displaystyle S=\int_0^{2\pi}|q(x)|dx이다.

+5점 · q(x)\displaystyle q(x)의 부호에 따라 적분 구간을 나눈다.

ecosx>0,  esinx>0\displaystyle e^{\cos x}>0,\;e^{\sin x}>0이므로 q(x)0\displaystyle q(x)\geq0일 필요충분조건은 cosxecosxsinxesinx\displaystyle \frac{\cos x}{e^{\cos x}}\leq\frac{\sin x}{e^{\sin x}}이므로S=02πq(x)dx=0π4q(x)dx+π45π4q(x)dx5π42πq(x)dx\displaystyle S=\int_0^{2\pi}|q(x)|dx=-\int_0^{\frac\pi4}q(x)dx+\int_{\frac\pi4}^{\frac{5\pi}4}q(x)dx-\int_{\frac{5\pi}4}^{2\pi}q(x)dx 이다.

+8점 · Q(x)=ecosxesinx\displaystyle Q(x)=-e^{\cos x}-e^{\sin x}q(x)\displaystyle q(x)의 한 부정적분이다.

u=cosx\displaystyle u=\cos x로 놓으면 dudx=sinx\displaystyle \frac{du}{dx}=-\sin x이므로g(x)dx=ecosxsinxdx=eudu=eu+C=ecosx+C\displaystyle \int g(x)dx=\int e^{\cos x}\sin x\,dx=-\int e^u du=-e^u+C=-e^{\cos x}+C 이고u=sinx\displaystyle u=\sin x로 놓으면 dudx=cosx\displaystyle \frac{du}{dx}=\cos x이므로h(x)dx=esinxcosxdx=eudu=eu+C=esinx+C\displaystyle \int h(x)dx=\int e^{\sin x}\cos x\,dx=\int e^u du=e^u+C=e^{\sin x}+C 이다.따라서 Q(x)=ecosxesinx\displaystyle Q(x)=-e^{\cos x}-e^{\sin x}q(x)\displaystyle q(x)의 한 부정적분이다.

+5점 · S=4(e22e22)\displaystyle S=4\left(e^{\frac{\sqrt2}{2}}-e^{-\frac{\sqrt2}{2}}\right)이다.

그러므로 S=02πq(x)dx=0π4q(x)dx+π45π4q(x)dx5π42πq(x)dx=(Q(π4)Q(0))+(Q(5π4)Q(π4))(Q(2π)Q(5π4))=2(Q(5π4)Q(π4))=4(e22e22)\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_0^{2\pi}|q(x)|dx=-\int_0^{\frac\pi4}q(x)dx+\int_{\frac\pi4}^{\frac{5\pi}4}q(x)dx-\int_{\frac{5\pi}4}^{2\pi}q(x)dx\\&=-\left(Q\left(\frac\pi4\right)-Q(0)\right)+\left(Q\left(\frac{5\pi}4\right)-Q\left(\frac\pi4\right)\right)-\left(Q(2\pi)-Q\left(\frac{5\pi}4\right)\right)\\&=2\left(Q\left(\frac{5\pi}4\right)-Q\left(\frac\pi4\right)\right)=4\left(e^{\frac{\sqrt2}{2}}-e^{-\frac{\sqrt2}{2}}\right)\end{aligned} 이다.

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