수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+8점 · k2<k(k+1)(k2+3)<k2+4k+4\displaystyle k^2<\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}<k^2+4k+4를 제시

[논제 1] 자연수 k\displaystyle k에 대하여k4<k(k+1)(k2+3)<k(k+1)(k2+4k+4)<(k2+4k+4)2\displaystyle k^4<k(k+1)(k^2+3)<k(k+1)(k^2+4k+4)<(k^2+4k+4)^2\qquad\cdots\cdots (A)이므로 k2<k(k+1)(k2+3)<k2+4k+4\displaystyle k^2<\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}<k^2+4k+4이고1n3k=1nk2<1n3k=1nk(k+1)(k2+3)<1n3k=1n(k2+4k+4)\displaystyle \frac1{n^3}\sum_{k=1}^nk^2<\frac1{n^3}\sum_{k=1}^n\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}<\frac1{n^3}\sum_{k=1}^n(k^2+4k+4)

+4점 · (n+1)(2n+1)6n2<1n3k=1nk(k+1)(k2+3)<(n+1)(2n+1)6n2+2(n+1)n2+4n2\displaystyle \frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}<\frac1{n^3}\sum_{k=1}^n\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}<\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}+\frac{2(n+1)}{n^2}+\frac4{n^2}를 제시

따라서(n+1)(2n+1)6n2<1n3k=1nk(k+1)(k2+3)<(n+1)(2n+1)6n2+2(n+1)n2+4n2\displaystyle \frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}<\frac1{n^3}\sum_{k=1}^n\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}<\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}+\frac{2(n+1)}{n^2}+\frac4{n^2}

+3점 · 정답을 제시

이때,limn(n+1)(2n+1)6n2=limn((n+1)(2n+1)6n2+2(n+1)n2+4n2)=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}=\lim_{n\to\infty}\left(\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}+\frac{2(n+1)}{n^2}+\frac4{n^2}\right)=\frac13이고 제시문 (가)에 의하여limn1n3k=1nk(k+1)(k2+3)=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{n^3}\sum_{k=1}^n\sqrt{k(k+1)(k^2+3)}=\frac13

(참고) 부등식 (A)는 다음과 같은 부등식으로 바꾸어 풀이가 가능하다.k4<k(k+1)(k2+3)<(k+1)4\displaystyle k^4<k(k+1)(k^2+3)<(k+1)^4

+10점 · β=6\displaystyle \beta=6임을 제시

[논제 2] 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수이고 조건 (1)에 의하여 f(α)\displaystyle f(\alpha)는 극댓값, f(β)\displaystyle f(\beta)는 극솟값이며 f(α)>f(β)\displaystyle f(\alpha)>f(\beta)이다. 함수 h(x)=f(x)f(β)\displaystyle h(x)=f(x)-f(\beta)라 하면 h(x)=f(x)\displaystyle h^{\prime}(x)=f^{\prime}(x)이고 h(x)\displaystyle h(x)는 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수이다. 조건 (1)과 (2)에 의하여h(x)=x(xβ)2\displaystyle h(x)=x(x-\beta)^2조건 (3)에 의하여108=0βf(x)dxβf(β)=0βh(x)dx=0βx(xβ)2dx=112β4\displaystyle 108=\int_0^\beta f(x)\,dx-\beta f(\beta)=\int_0^\beta h(x)\,dx=\int_0^\beta x(x-\beta)^2\,dx=\frac1{12}\beta^4이므로 β=6\displaystyle \beta=6이다. 따라서 h(x)=x(x6)2\displaystyle h(x)=x(x-6)^2

극점의 x좌표가 2, 6인 삼차함수 f와 이를 평행이동한 h의 그래프
+5점 · 정답을 제시

f(2)>f(6)\displaystyle f(2)>f(6)이므로 두 극값의 차는 32\displaystyle 32이다.

+5점 · f(x)=x(x6)2+f(6)\displaystyle f(x)=x(x-6)^2+f(6)을 제시

[논제 3] 주어진 조건을 만족하는 함수 f(x)\displaystyle f(x)f(x)=x(x6)2+f(6)\displaystyle f(x)=x(x-6)^2+f(6)이고f(x)=3x224x+36\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-24x+36\qquad\cdots\cdots (B)

+10점 · g(x)=14f(2x)+34f(23x)\displaystyle g(x)=\frac14f(2x)+\frac34f\left(\frac23x\right)를 제시

R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하자. 두 점 P(t,f(t)),Q(3t,f(3t))\displaystyle \mathrm{P}(t,f(t)),\mathrm{Q}(3t,f(3t))1:3\displaystyle 1:3으로 내분하는 내분점은(3t+3t1+3,f(3t)+3f(t)1+3)=(3t2,f(3t)+3f(t)4)\displaystyle \left(\frac{3t+3t}{1+3},\frac{f(3t)+3f(t)}{1+3}\right)=\left(\frac{3t}2,\frac{f(3t)+3f(t)}4\right)x=3t2\displaystyle x=\frac{3t}2, y=f(3t)+3f(t)4\displaystyle y=\frac{f(3t)+3f(t)}4라 할 때 구하는 곡선의 방정식은y=14f(2x)+34f(23x)\displaystyle y=\frac14f(2x)+\frac34f\left(\frac23x\right)따라서 g(x)=14f(2x)+34f(23x)\displaystyle g(x)=\frac14f(2x)+\frac34f\left(\frac23x\right)이다.

+5점 · γ=3\displaystyle \gamma=3임을 제시

한편g(x)=12f(2x)+12f(23x)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac12f^{\prime}(2x)+\frac12f^{\prime}\left(\frac23x\right)이고 g(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0에서 f(2x)+f(23x)=0\displaystyle f^{\prime}(2x)+f^{\prime}\left(\frac23x\right)=0이므로 식 (B)로 부터(5x9)(x3)=0\displaystyle (5x-9)(x-3)=0g(x)\displaystyle g(x)x=3\displaystyle x=3에서 극솟값을 갖는다.

+5점 · 정답을 제시

50=02f(x)dx=[14x44x3+18x2+f(6)x]02=44+2f(6)\displaystyle 50=\int_0^2f(x)\,dx=\Biggl[\frac14x^4-4x^3+18x^2+f(6)x\Biggr]_0^2=44+2f(6)에서 f(6)=3\displaystyle f(6)=3이고 극댓값은 f(2)=35\displaystyle f(2)=35이다.

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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