수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1교시 3번

문제

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[문제 3-1]

+4점 · 정적분을 쓸 수 있도록 분자를 변형하면

(3+kn)ln(3n+k)(2+kn)ln(2n+k)lnn=(3+kn)lnn(3+kn)(2+kn)lnn(2+kn)lnn=(3+kn)ln(3+kn)(2+kn)ln(2+kn)+(3+kn)lnn(2+kn)lnnlnn=(3+kn)ln(3+kn)(2+kn)ln(2+kn)\displaystyle \begin{aligned}&\left(3+\frac kn\right)\ln(3n+k)-\left(2+\frac kn\right)\ln(2n+k)-\ln n\\&=\left(3+\frac kn\right)\ln n\left(3+\frac kn\right)-\left(2+\frac kn\right)\ln n\left(2+\frac kn\right)-\ln n\\&=\left(3+\frac kn\right)\ln\left(3+\frac kn\right)-\left(2+\frac kn\right)\ln\left(2+\frac kn\right)+\left(3+\frac kn\right)\ln n-\left(2+\frac kn\right)\ln n-\ln n\\&=\left(3+\frac kn\right)\ln\left(3+\frac kn\right)-\left(2+\frac kn\right)\ln\left(2+\frac kn\right)\end{aligned}이므로 주어진 극한값은 다음 정적분이다.

+2점 · 맞는 정적분 형태로 쓰면

limnk=1n1n(3+kn)ln(3+kn)(2+kn)ln(2+kn)(2+kn)(3+kn)ln(2+kn)ln(3+kn)=01(3+x)ln(3+x)(2+x)ln(2+x)(2+x)(3+x)ln(2+x)ln(3+x)dx=011(2+x)ln(2+x)dx011(3+x)ln(3+x)dx\displaystyle \begin{aligned}&\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1n\frac{\left(3+\frac kn\right)\ln\left(3+\frac kn\right)-\left(2+\frac kn\right)\ln\left(2+\frac kn\right)}{\left(2+\frac kn\right)\left(3+\frac kn\right)\ln\left(2+\frac kn\right)\ln\left(3+\frac kn\right)}\\&=\int_0^1\frac{(3+x)\ln(3+x)-(2+x)\ln(2+x)}{(2+x)(3+x)\ln(2+x)\ln(3+x)}dx\\&=\int_0^1\frac1{(2+x)\ln(2+x)}dx-\int_0^1\frac1{(3+x)\ln(3+x)}dx\end{aligned}

+4점 · 2ln(ln3)ln(ln2)ln(ln4)\displaystyle 2\ln(\ln3)-\ln(\ln2)-\ln(\ln4) 구하면

y=ln(2+x)\displaystyle y=\ln(2+x), y=ln(3+x)\displaystyle y=\ln(3+x)로 치환적분하여 정리하면 다음과 같다.2ln(ln3)ln(ln2)ln(ln4)\displaystyle 2\ln(\ln3)-\ln(\ln2)-\ln(\ln4) 또는 2ln(ln3)2ln(ln2)ln2\displaystyle 2\ln(\ln3)-2\ln(\ln2)-\ln2 또는 ln((ln3)22(ln2)2)\displaystyle \ln\left(\frac{(\ln3)^2}{2(\ln2)^2}\right)

[문제 3-2]

+3점 · f(x)=x+2(xt)2+3t\displaystyle f(x)=|x|+2\sqrt{(x-t)^2+3t} 구하면

f(x)=x+2(xt)2+3t\displaystyle f(x)=|x|+2\sqrt{(x-t)^2+3t}이고 최솟값을 구하는 문제이므로 x0\displaystyle x\ge0만 고려해도 충분하다.

f(x)=1+2(xt)(xt)2+3t\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\frac{2(x-t)}{\sqrt{(x-t)^2+3t}}이고 xt\displaystyle x\ge t이면 f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0이므로 구간 0xt\displaystyle 0\le x\le t에서 생각해도 충분하다.Comment. 이 도함수 식은 x>0\displaystyle x>0에서 성립한다. x=0\displaystyle x=0에서는 f\displaystyle f가 미분가능하지 않으므로 끝점의 함수값을 따로 비교한다.f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0에서 x=tt\displaystyle x=t-\sqrt t이 나온다.

+3점 · 0t1\displaystyle 0\le t\le1에서 m(t)=2t2+3t\displaystyle m(t)=2\sqrt{t^2+3t} 구하면

0t1\displaystyle 0\le t\le1이면 tt0\displaystyle t-\sqrt t\le0이므로 x=0\displaystyle x=0에서 최솟값을 갖고 m(t)=2t2+3t\displaystyle m(t)=2\sqrt{t^2+3t}이다.

+3점 · t1\displaystyle t\ge1에서 m(t)=t+3t\displaystyle m(t)=t+3\sqrt t 구하면

t1\displaystyle t\ge1이면 0ttt\displaystyle 0\le t-\sqrt t\le t이므로 x=tt\displaystyle x=t-\sqrt t에서 최솟값을 갖고 m(t)=t+3t\displaystyle m(t)=t+3\sqrt t이다.

구하는 적분은 다음과 같다.124ln(m(t))dt=121ln(2t2+3t)dt+14ln(t+3t)dt\displaystyle \int_{\frac12}^4\ln(m(t))dt=\int_{\frac12}^1\ln(2\sqrt{t^2+3t})dt+\int_1^4\ln(t+3\sqrt t)dt

+3점 · 132ln274ln712\displaystyle \frac{13}2\ln2-\frac74\ln7-\frac12 구하면

121ln(2t2+3t)dt=12ln2+12112ln(t2+3t)dt=12ln2+12121(lnt+ln(t+3))dt=132ln274ln712\displaystyle \begin{aligned}\int_{\frac12}^1\ln(2\sqrt{t^2+3t})dt&=\frac12\ln2+\int_{\frac12}^1\frac12\ln(t^2+3t)dt\\&=\frac12\ln2+\frac12\int_{\frac12}^1(\ln t+\ln(t+3))dt=\frac{13}2\ln2-\frac74\ln7-\frac12\end{aligned}이고

+3점 · 20ln25ln5\displaystyle 20\ln2-5\ln5 구하면

14ln(t+3t)dt=[tln(t+3t)]1414t1+32t12t+3tdt=[tln(t+3t)]1414t+32t+3dt=20ln25ln5\displaystyle \begin{aligned}\int_1^4\ln(t+3\sqrt t)dt&=\Biggl[t\ln(t+3\sqrt t)\Biggr]_1^4-\int_1^4t\frac{1+\frac32t^{-\frac12}}{t+3\sqrt t}dt\\&=\Biggl[t\ln(t+3\sqrt t)\Biggr]_1^4-\int_1^4\frac{\sqrt t+\frac32}{\sqrt t+3}dt\\&=20\ln2-5\ln5\end{aligned}이다.

두 값을 더하면 532ln25ln574ln712\displaystyle \frac{53}2\ln2-5\ln5-\frac74\ln7-\frac12이고 a=532\displaystyle a=\frac{53}2, b=5\displaystyle b=-5, c=74\displaystyle c=-\frac74, d=12\displaystyle d=-\frac12이다.

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

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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