수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

[문제 2] 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 함수 f(x)=∣x−1∣\displaystyle f(x)=|x-1|라 할 때, 다음 물음에 답하시오. [30점]

(1) 합성함수 (f∘f)(∣2x∣)\displaystyle (f\circ f)(|2x|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

(2) n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

(3) 문제 (2)의 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 둘레의 길이를 ln\displaystyle l_n이라 하고 도형의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞nSnln\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nS_n}{l_n}을 구하시오.

해설강의 준비중

1) 합성함수 (f∘f)(∣2x∣)\displaystyle (f\circ f)(|2x|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

+5점 · 합성함수 (f∘f)(∣2x∣)\displaystyle (f\circ f)(|2x|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오

(예시답안) (f∘f)(∣2x∣)=∣∣∣2x∣−1∣−1∣=0\displaystyle (f\circ f)(|2x|)=\bigl|\bigl||2x|-1\bigr|-1\bigr|=0 로 두면 2x=0,±2\displaystyle 2x=0,\pm2 이므로 구하는 점들의 좌표는 (−1,0),(0,0),(1,0)\displaystyle (-1,0),(0,0),(1,0)이다.

2) n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

+12점 · n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오

(예시답안) 함수 g(x)=∣nx∣\displaystyle g(x)=|nx|의 그래프를 y\displaystyle y축을 따라 -1만큼 평형이동하고 x\displaystyle x축 아래의 그래프를 x\displaystyle x축에 대칭이도록 x\displaystyle x축 위로 옮기면 함수 f(∣nx∣)=∣∣nx∣−1∣\displaystyle f(|nx|)=\bigl||nx|-1\bigr|의 그래프를 얻는다. 같은 방법으로 f(∣nx∣)=∣∣nx∣−1∣\displaystyle f(|nx|)=\bigl||nx|-1\bigr|의 그래프를 y\displaystyle y축을 따라 −1\displaystyle -1 만큼 평형이동하고 x\displaystyle x축 아래의 그래프를 x\displaystyle x축에 대칭이도록 x\displaystyle x축 위로 옮기면 함수 (f∘f)(∣nx∣)=∣∣∣nx∣−1∣−1∣\displaystyle (f\circ f)(|nx|)=\bigl|\bigl||nx|-1\bigr|-1\bigr|의 그래프를 얻는다. 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프는 이러한 과정을 함수 g(x)=∣nx∣\displaystyle g(x)=|nx|의 그래프에 n\displaystyle n번 시행하여 얻어진다.

합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프가 x\displaystyle x축과 만나는 점들 중 x\displaystyle x좌표가 가장 작은 값은 −1\displaystyle -1이고 가장 큰 값은 1\displaystyle 1이다. 그러므로 합성함수의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들은 x\displaystyle x축 위의 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]을 n\displaystyle n개의 같은 길이의 선분으로 나누는 점들이다. 따라서 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 x\displaystyle x좌표들은 −1+(2n)k (k=0,1,⋯n)\displaystyle -1+\left(\frac2n\right)k\ (k=0,1,\cdots n)로 구해진다. 그러므로 주어진 합성함수와 x\displaystyle x축과 만나는 점들의 좌표는 (−1+2kn,0) (k=0,1,⋯n)\displaystyle \left(-1+\frac{2k}n,0\right)\ (k=0,1,\cdots n)이다.

3) 문제 (2)의 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 둘레의 길이를 ln\displaystyle l_n이라 하고 도형의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞nSnln\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nS_n}{l_n}을 구하시오.

+13점 · 문제 (2)의 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟n(∣nx∣)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_n(|nx|)의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 둘레의 길이를 ln\displaystyle l_n이라 하고 도형의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞nSnln\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nS_n}{l_n}을 구하시오

(예시답안) 문제 (2)에서 주어진 합성함수의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형은 밑변의 길이가 2n\displaystyle \frac2n이고 높이가 1\displaystyle 1인 n\displaystyle n개의 이등변 삼각형임을 알 수 있다.

이 이등변 삼각형의 둘레의 길이는 2n+21+1n2\displaystyle \frac2n+2\sqrt{1+\frac1{n^2}}이므로 구하는 전체 둘레의 길이ln=n(2n+21+1n2)=2(1+n2+1)\displaystyle l_n=n\left(\frac2n+2\sqrt{1+\frac1{n^2}}\right)=2(1+\sqrt{n^2+1})이고, 구하는 넓이는 Sn=n(12⋅2n⋅1)=1\displaystyle S_n=n\left(\frac12\cdot\frac2n\cdot1\right)=1이다.따라서 극한값 lim⁡n→∞nSnln=lim⁡n→∞n⋅12(1+1+n2)=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{nS_n}{l_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n\cdot1}{2(1+\sqrt{1+n^2})}=\frac12이다.

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