수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[문제 21\displaystyle 2 - 1]

+10점 · [문제 2] (1) (1) limn1n3k=1nk2f(kn)\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n^{3}} \sum_{k = 1}^{n} k^{2} f \left( \frac{k}{n} \right)의 형태로 정리한 경우

(1) limn1n3[f(1n)+22f(2n)+32f(3n)+n2f(nn)]\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n^{3}} \left[ f \left( \frac{1}{n} \right) + 2^{2} f \left( \frac{2}{n} \right) + 3^{2} f \left( \frac{3}{n} \right) + \cdots n^{2} f \left( \frac{n}{n} \right) \right]limn1n3k=1nk2f(kn)\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n^{3}} \sum_{k = 1}^{n} k^{2} f \left( \frac{k}{n} \right)이다.

+10점 · [문제 2] (1) (2) limnk=1nk2n2f(kn)1n\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{k = 1}^{n} \frac{k^{2}}{n^{2}} f \left( \frac{k}{n} \right) \frac{1}{n}의 형태로 변환하여 적분과 급수와의 관계를 논리적으로 전개한 경우

(2) 적분과 급수의 합과의 관계는 abf(x)dx=limnk=1nf(xk)Δx\displaystyle \int_{a}^{b} f ( x ) d x = \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{k = 1}^{n} f \left( x_{k} \right) \Delta x(단, Δx=ban,xk=a+kΔx\displaystyle \Delta x = \frac{b - a}{n} , x_{k} = a + k \Delta x) 이기 때문에 따라서 위의 급수의 합은 limnk=1nk2n2f(kn)1n=limnk=1nxk2f(xk)Δx(Δx=10n,xk=0+k×1n)\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{k = 1}^{n} \frac{k^{2}}{n^{2}} f \left( \frac{k}{n} \right) \frac{1}{n} = \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{k = 1}^{n} x_{k}^{2} f \left( x_{k} \right) \Delta x \left( \Delta x = \frac{1 - 0}{n} , x_{k} = 0 + k \times \frac{1}{n} \right)으로 볼 수 있으므로

+5점 · [문제 2] (1) (3) 정적분 01x2f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1} x^{2} f ( x ) d x를 도출한 경우

(3) 이로부터 정적분 01x2f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1} x^{2} f ( x ) d x로 나타낼 수 있다.

[문제 22\displaystyle 2- 2]

(1) 01x2f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1} x^{2} f ( x ) d xf(x)=sin(πx)\displaystyle f ( x ) = \sin ( \pi x )를 대입한다.

+15점 · [문제 2] (2) (1)~(2) x2sin(πx)dx=x2πcos(πx)+2xπcos(πx)dx\displaystyle \int x^{2} \sin ( \pi x ) d x = - \frac{x^{2}}{\pi} \cos ( \pi x ) + \int \frac{2 x}{\pi} \cos ( \pi x ) d x로 부분적분을 1\displaystyle 1차 진행한 경우

(2) x2sin(πx)\displaystyle x^{2} \sin ( \pi x )가 미분가능하고 연속이기 때문에 f(x)g(x)dx=f(x)g(x)f(x)g(x)dx\displaystyle \int f ( x ) g ^{\prime} ( x ) d x = f ( x ) g ( x ) - \int f ^{\prime} ( x ) g ( x ) d x의 부분적분법을 이용한다.

f(x)=x2,f(x)=2x\displaystyle f ( x ) = x^{2} , f ^{\prime} ( x ) = 2 x, g(x)=sin(πx),g(x)=1πcos(πx)\displaystyle g ^{\prime} ( x ) = \sin ( \pi x ) , g ( x ) = - \frac{1}{\pi} \cos ( \pi x )

x2sin(πx)dx=x2πcos(πx)+2xπcos(πx)dx\displaystyle \int x^{2} \sin ( \pi x ) d x = - \frac{x^{2}}{\pi} \cos ( \pi x ) + \int \frac{2 x}{\pi} \cos ( \pi x ) d x 로 나타낼 수 있다.

(3) 2xπcos(πx)dx\displaystyle \int \frac{2 x}{\pi} \cos ( \pi x ) d x도 부분적분법을 적용한다.

f(x)=2xπ,f(x)=2π\displaystyle f ( x ) = \frac{2 x}{\pi} , f ^{\prime} ( x ) = \frac{2}{\pi}, g(x)=cos(πx)dx,g(x)=1πsin(πx)\displaystyle g ^{\prime} ( x ) = \cos ( \pi x ) d x , g ( x ) = \frac{1}{\pi} \sin ( \pi x )

2xπcos(πx)dx=2xπ2sin(πx)2π2sin(πx)dx=2xπ2sin(πx)+2π3cos(πx)\displaystyle \int \frac{2 x}{\pi} \cos ( \pi x ) d x = \frac{2 x}{\pi^{2}} \sin ( \pi x ) - \int \frac{2}{\pi^{2}} \sin ( \pi x ) d x = \frac{2 x}{\pi^{2}} \sin ( \pi x ) + \frac{2}{\pi^{3}} \cos ( \pi x )

위의 결과를 결합하면

+15점 · [문제 2] (2) (3)~(4) 2xπcos(πx)dx\displaystyle \int \frac{2 x}{\pi} \cos ( \pi x ) d x의 부분적분을 2\displaystyle 2차 진행하여서 x2sin(πx)dx=x2πcos(πx)+2xπ2sin(πx)+2π3cos(πx)+C\displaystyle \int x^{2} \sin ( \pi x ) d x = - \frac{x^{2}}{\pi} \cos ( \pi x ) + \frac{2 x}{\pi^{2}} \sin ( \pi x ) + \frac{2}{\pi^{3}} \cos ( \pi x ) + C {\text{로}} 최종 부정적분을 도출한 경우

(4) x2sin(πx)dx=x2πcos(πx)+2xπ2sin(πx)+2π3cos(πx)+C\displaystyle \int x^{2} \sin ( \pi x ) d x = - \frac{x^{2}}{\pi} \cos ( \pi x ) + \frac{2 x}{\pi^{2}} \sin ( \pi x ) + \frac{2}{\pi^{3}} \cos ( \pi x ) + C이다.

이를 구하기 위해 cos(π)=1,sin(π)=0,cos(0)=1,sin(0)=0\displaystyle \cos ( \pi ) = - 1 , \sin ( \pi ) = 0 , \cos ( 0 ) = 1 , \sin ( 0 ) = 0값을 적용한다.

+5점 · [문제 2] (2) (5) x=1\displaystyle x = 1에서 1π×(1)+0+2π3×(1)=1π2π3\displaystyle - \frac{1}{\pi} \times ( - 1 ) + 0 + \frac{2}{\pi^{3}} \times ( - 1 ) = \frac{1}{\pi} - \frac{2}{\pi^{3}}를 도출한 경우

(5) x=1\displaystyle x = 1일 때, 1π(1)+0+2π3(1)=1π2π3\displaystyle - \frac{1}{\pi} ( - 1 ) + 0 + \frac{2}{\pi^{3}} ( - 1 ) = \frac{1}{\pi} - \frac{2}{\pi^{3}}

+5점 · [문제 2] (2) (6) x=0\displaystyle x = 0에서 0+0+2π3×(1)=2π3\displaystyle 0 + 0 + \frac{2}{\pi^{3}} \times ( 1 ) = \frac{2}{\pi^{3}}도출한 경우

(6) x=0\displaystyle x = 0일 때, 0+0+2π3(1)=2π3\displaystyle 0 + 0 + \frac{2}{\pi^{3}} ( 1 ) = \frac{2}{\pi^{3}}

+5점 · [문제 2] (2) (7) 01x2sin(πx)dx=(1π2π3)2π3=1π4π3\displaystyle \int_{0}^{1} x^{2} \sin ( \pi x ) d x = \left( \frac{1}{\pi} - \frac{2}{\pi^{3}} \right) - \frac{2}{\pi^{3}} = \frac{1}{\pi} - \frac{4}{\pi^{3}}최종값을 정확히 구한 경우

(7) 01x2sin(πx)dx=(1π2π3)2π3=1π4π3\displaystyle \int_{0}^{1} x^{2} \sin ( \pi x ) d x = \left( \frac{1}{\pi} - \frac{2}{\pi^{3}} \right) - \frac{2}{\pi^{3}} = \frac{1}{\pi} - \frac{4}{\pi^{3}}이다.

채점 기준 충족 정도에 따라 부분점수가 부여될 수 있음

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