수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · (pn,qn)=(0,12122+123+(1)n+112n)\displaystyle (p_n,q_n)=\left(0,\frac12-\frac1{2^2}+\frac1{2^3}-\cdots+(-1)^{n+1}\frac1{2^n}\right)을 제시

[논제 1]r=2\displaystyle r=2일 때, Ck(pk,qk)\displaystyle C_k(p_k,q_k)를 구하면 다음과 같다.(p1,q1)=(0,12),\displaystyle (p_1,q_1)=(0,\frac12),(p2,q2)=(0,12122),\displaystyle (p_2,q_2)=(0,\frac12-\frac1{2^2}),(p3,q3)=(0,12122+123),\displaystyle (p_3,q_3)=(0,\frac12-\frac1{2^2}+\frac1{2^3}),\displaystyle \vdots

+5점 · limndn=n=112(12)n1=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}d_n=\sum_{n=1}^\infty\frac12(-\frac12)^{n-1}=\frac13을 제시

따라서 구하는 값은limndn=n=112(12)n1=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}d_n=\sum_{n=1}^\infty\frac12\left(-\frac12\right)^{n-1}=\frac13이다.

+5점 · A=(0110)\displaystyle A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}를 제시

[논제 2](p1,q1)\displaystyle (p_1,q_1)S1\displaystyle S_1의 중심 (0,34)\displaystyle (0,-\frac34)를 원점을 중심으로 π2\displaystyle \frac\pi2만큼 회전이동한 점이므로, (*)에서A=(0110)\displaystyle A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}이고,(p1q1)=A(034)=(00)+34(10)\displaystyle \begin{pmatrix}p_1\\q_1\end{pmatrix}=A\begin{pmatrix}0\\-\frac34\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\0\end{pmatrix}+\frac34\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}이다.

+5점 · (p2q2)\displaystyle \begin{pmatrix}p_2\\q_2\end{pmatrix}, (p3q3)\displaystyle \begin{pmatrix}p_3\\q_3\end{pmatrix}, (p4q4)\displaystyle \begin{pmatrix}p_4\\q_4\end{pmatrix}, (p5q5)\displaystyle \begin{pmatrix}p_5\\q_5\end{pmatrix}와 같이 규칙성을 제시

또한 (p2,q2)\displaystyle (p_2,q_2)(p1,q1)\displaystyle (p_1,q_1)을 중심으로 점 (34+14(114),0)\displaystyle \left(\frac34+\frac14(1-\frac14),0\right)π2\displaystyle \frac\pi2만큼 회전이동한 점,즉 원점을 중심으로 점 (14(114),0)\displaystyle \left(\frac14(1-\frac14),0\right)π2\displaystyle \frac\pi2만큼 회전이동한 점을 x\displaystyle x축으로 p1\displaystyle p_1만큼, y\displaystyle y축으로 q1\displaystyle q_1만큼평행이동한 점이다. 따라서(p2q2)=A(141420)+(p1q1)=(p1q1)+342A(10)\displaystyle \begin{pmatrix}p_2\\q_2\end{pmatrix}=A\begin{pmatrix}\frac14-\frac1{4^2}\\0\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}p_1\\q_1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_1\\q_1\end{pmatrix}+\frac3{4^2}A\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}이다. 같은 방법으로 (p3,q3)\displaystyle (p_3,q_3)은 점 (p2,q2)\displaystyle (p_2,q_2)를 중심으로 점 (0,142×34)\displaystyle \left(0,\frac1{4^2}\times\frac34\right)π2\displaystyle \frac\pi2만큼 회전이동한 점이다.이것은 (p2,q2)\displaystyle (p_2,q_2)를 중심으로 점 (142×34,0)\displaystyle \left(\frac1{4^2}\times\frac34,0\right)π2\displaystyle \frac\pi2만큼씩 2번 회전이동한 점을 뜻하므로(p3q3)=A(0142143)+(p2q2)=(p2q2)+343A2(10)\displaystyle \begin{pmatrix}p_3\\q_3\end{pmatrix}=A\begin{pmatrix}0\\\frac1{4^2}-\frac1{4^3}\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}p_2\\q_2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_2\\q_2\end{pmatrix}+\frac3{4^3}A^2\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}이다. 마찬가지로(p4q4)=A(143+1440)+(p3q3)=(p3q3)+344A3(10),(p5q5)=A(0144+145)+(p4q4)=(p4q4)+345A4(10).\displaystyle \begin{aligned}\begin{pmatrix}p_4\\q_4\end{pmatrix}&=A\begin{pmatrix}-\frac1{4^3}+\frac1{4^4}\\0\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}p_3\\q_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_3\\q_3\end{pmatrix}+\frac3{4^4}A^3\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix},\\\begin{pmatrix}p_5\\q_5\end{pmatrix}&=A\begin{pmatrix}0\\-\frac1{4^4}+\frac1{4^5}\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}p_4\\q_4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_4\\q_4\end{pmatrix}+\frac3{4^5}A^4\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}.\end{aligned}

+10점 · B=34n(0110)n1\displaystyle B=\frac3{4^n}\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}^{n-1}을 제시

이다. 가장 작은 원 Sn\displaystyle S_n을 이동시킨 원의 중심 (pn,qn)\displaystyle (p_n,q_n)(pn1,qn1)\displaystyle (p_{n-1},q_{n-1})을 중심으로 점 (14n1×34,0)\displaystyle \left(\frac1{4^{n-1}}\times\frac34,0\right)π2\displaystyle \frac\pi2만큼씩 (n1)\displaystyle (n-1)번 회전이동한 점이다. 즉,(pnqn)=(pn1qn1)+(0110)n134(14)n1(10)=(pn1qn1)+34n(0110)n1(10)\displaystyle \begin{pmatrix}p_n\\q_n\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_{n-1}\\q_{n-1}\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}^{n-1}\frac34\left(\frac14\right)^{n-1}\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}p_{n-1}\\q_{n-1}\end{pmatrix}+\frac3{4^n}\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}^{n-1}\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}이다. 그러므로 주어진 식과 비교하면B=34n(0110)n1\displaystyle B=\frac3{4^n}\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}^{n-1}임을 알 수 있다.

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