수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2교시 3-1번

문제

[문제 3] 다음을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

● 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능할 때, 다음이 성립한다.∫f(x)g′(x)dx=f(x)g(x)−∫f′(x)g(x)dx\displaystyle \int f(x)g^{\prime}(x)dx=f(x)g(x)-\int f^{\prime}(x)g(x)dx

● 좌표평면에서 두 점 A(x1,y1)\displaystyle \mathrm{A}(x_1,y_1), B(x2,y2)\displaystyle \mathrm{B}(x_2,y_2)사이의 거리는 AB‾=(x1−x2)2+(y1−y2)2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}이다.

● 미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 도함수 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]를 포함하는 열린구간에서 연속이고, g(a)=α\displaystyle g(a)=\alpha, g(b)=β\displaystyle g(b)=\beta에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta를 양끝으로 하는 닫힌구간에서 연속일 때 다음 식이 성립한다.Caution. 치환적분 공식을 적용하려면 함수 f\displaystyle f가 g([a,b])\displaystyle g([a,b]) 전체에서 연속이어야 한다. g(x)\displaystyle g(x)가 두 끝값 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta 사이를 벗어날 수도 있으므로, 두 끝값 사이에서의 연속성만으로는 충분하지 않다.∫abf(g(x))g′(x)dx=∫αβf(t)dt\displaystyle \int_a^b f(g(x))g^{\prime}(x)dx=\int_\alpha^\beta f(t)dt

[문제 3-1] 좌표평면 위의 세 직선 y=0\displaystyle y=0, x=1\displaystyle x=1, x=e\displaystyle x=e와 곡선 y=(ln⁡x)n\displaystyle y=(\ln x)^n으로 둘러싸인 영역의 넓이를 an\displaystyle a_n이라 하자. 수열의 합 ∑n=113{an+1+(n+1)an}ln⁡(n+1)−ln⁡nln⁡(n15)ln⁡(n+115)\displaystyle \sum_{n=1}^{13}\{a_{n+1}+(n+1)a_n\}\frac{\ln(n+1)-\ln n}{\ln\left(\frac n{15}\right)\ln\left(\frac{n+1}{15}\right)}을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

[문제 3-1]

+2점 · an\displaystyle a_n이 임을 an=∫1e(ln⁡x)ndx\displaystyle a_n=\int_1^e(\ln x)^n dx임을 구하면

Correction. 채점기준 첫 문장의 앞부분 “an\displaystyle a_n이 임을”은 불필요하게 들어갔다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

an+1=∫1e(ln⁡x)n+1dx\displaystyle a_{n+1}=\int_1^e(\ln x)^{n+1}dx이고

+4점 · an+1+(n+1)an=e\displaystyle a_{n+1}+(n+1)a_n=e을 구하면

부분적분을 적용하여an+1=∫1e(ln⁡x)n+1dx=[x(ln⁡x)n+1]1e−∫1e(n+1)(ln⁡x)ndx=e−(n+1)an\displaystyle a_{n+1}=\int_1^e(\ln x)^{n+1}dx=\Biggl[x(\ln x)^{n+1}\Biggr]_1^e-\int_1^e(n+1)(\ln x)^n dx=e-(n+1)a_n을 얻을 수 있다. 정리하면 an+1+(n+1)an=e\displaystyle a_{n+1}+(n+1)a_n=e이다.

+4점 · 나머지 계산을 하여 수열을 합 e(1ln⁡115−1ln⁡1415)\displaystyle e\left(\frac1{\ln\frac1{15}}-\frac1{\ln\frac{14}{15}}\right) 또는 e(1ln⁡1514−1ln⁡15)\displaystyle e\left(\frac1{\ln\frac{15}{14}}-\frac1{\ln15}\right)을 계산하면

Correction. 채점기준의 “수열을 합”은 “수열의 합”의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

구하는 수열의 합은 다음과 같다.e∑n=113ln⁡(n+1)−ln⁡(n)ln⁡(n15)ln⁡(n+115)=e∑n=113ln⁡(n+115)−ln⁡(n15)ln⁡(n15)ln⁡(n+115)=e∑n=113{1ln⁡n15−1ln⁡n+115}=e(1ln⁡115−1ln⁡1415)=e(1ln⁡1514−1ln⁡15)\displaystyle \begin{aligned}e\sum_{n=1}^{13}\frac{\ln(n+1)-\ln(n)}{\ln\left(\frac n{15}\right)\ln\left(\frac{n+1}{15}\right)}&=e\sum_{n=1}^{13}\frac{\ln\left(\frac{n+1}{15}\right)-\ln\left(\frac n{15}\right)}{\ln\left(\frac n{15}\right)\ln\left(\frac{n+1}{15}\right)}\\&=e\sum_{n=1}^{13}\left\{\frac1{\ln\frac n{15}}-\frac1{\ln\frac{n+1}{15}}\right\}\\&=e\left(\frac1{\ln\frac1{15}}-\frac1{\ln\frac{14}{15}}\right)=e\left(\frac1{\ln\frac{15}{14}}-\frac1{\ln15}\right)\end{aligned}이다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 부분 점수를 부여할 수 있습니다.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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