수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 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)(2x2)\displaystyle (f\circ f)(2x^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

(2) n\displaystyle n이 자연수일 때 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 정의된 함수 g(x)=nx2\displaystyle g(x)=nx^2의 함숫값이 정수가 되는 x\displaystyle x를 모두 구하시오.

(3) n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(2nx2)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(2nx^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들에 대하여 각 점과 원점 사이의 거리의 합을 S2n\displaystyle S_{2n}이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞S2n2n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_{2n}}{2n}을 구하시오.

해설강의 준비중

1) 합성함수 (f∘f)(2x2)\displaystyle (f\circ f)(2x^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오.

+5점 · 합성함수 (f∘f)(2x2)\displaystyle (f\circ f)(2x^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들의 좌표를 모두 구하시오

(예시답안) (f∘f)(2x2)=∣∣2x2−1∣−1∣=0\displaystyle (f\circ f)(2x^2)=\bigl||2x^2-1|-1\bigr|=0으로 두면 2x2=0,2\displaystyle 2x^2=0,2므로 x=0,±1\displaystyle x=0,\pm1이다. 따라서 구하는 교점은 (−1,0),(0,0),(1,0)\displaystyle (-1,0),(0,0),(1,0) 이다.

2) n\displaystyle n이 자연수일 때 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 정의된 함수 g(x)=nx2\displaystyle g(x)=nx^2의 함숫값이 정수가 되는 x\displaystyle x를 모두 구하시오.

+7점 · n\displaystyle n이 자연수일 때 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 정의된 함수 g(x)=nx2\displaystyle g(x)=nx^2의 함숫값이 정수가 되는 x\displaystyle x를 모두 구하시오

(예시답안) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에 정의된 함수 g(x)=nx2\displaystyle g(x)=nx^2의 치역은 구간 [0,n]\displaystyle [0,n]이다. 따라서 정수인 함숫값은 k=0,1,⋯ ,n\displaystyle k=0,1,\cdots,n이며 nx2=k (k=0,1,⋯ ,n)\displaystyle nx^2=k\ (k=0,1,\cdots,n)를 만족하는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]의 x\displaystyle x값은 x=kn (k=0,1,⋯ ,n)\displaystyle x=\sqrt{\frac kn}\ (k=0,1,\cdots,n)이다.

3) n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(2nx2)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(2nx^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들에 대하여 각 점과 원점 사이의 거리의 합을 S2n\displaystyle S_{2n}이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞S2n2n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_{2n}}{2n}을 구하시오.

+18점 · n\displaystyle n이 자연수일 때 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(2nx2)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(2nx^2)의 그래프와 x\displaystyle x축이 만나는 점들에 대하여 각 점과 원점 사이의 거리의 합을 S2n\displaystyle S_{2n}이라 할 때, 극한값 lim⁡n→∞S2n2n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_{2n}}{2n}을 구하시오.

(예시답안) 함수 h(x)=2nx2\displaystyle h(x)=2nx^2의 그래프를 y\displaystyle y축을 따라 -1만큼 평형이동하고 x\displaystyle x축 아래의 그래프를 x\displaystyle x축에 대칭이 되도록 x\displaystyle x축 위로 옮기면 함수 f(2nx2)=∣2nx2−1∣\displaystyle f(2nx^2)=|2nx^2-1|의 그래프를 얻는다. 같은 방법으로 f(2nx2)=∣2nx2−1∣\displaystyle f(2nx^2)=|2nx^2-1|의 그래프를 y\displaystyle y축을 따라 −1\displaystyle -1 만큼 평형이동하고 x\displaystyle x축 아래의 그래프를 x\displaystyle x축에 대칭이 되도록 x\displaystyle x축 위로 옮기면 함수 (f∘f)(2nx2)=∣∣2nx2−1∣−1∣\displaystyle (f\circ f)(2nx^2)=\bigl||2nx^2-1|-1\bigr|의 그래프를 얻는다. 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(2nx2)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(2nx^2)의 그래프는 이러한 과정을 함수 h(x)=2nx2\displaystyle h(x)=2nx^2의 그래프에 2n\displaystyle 2n번 시행하여 얻어 진다. 따라서 합성함수 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(2nx2)\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(2nx^2)의 그래프가 x\displaystyle x축과 만나는 점들의 x\displaystyle x좌표 중 가장 작은 값이 −1\displaystyle -1이고 가장 큰 값이 1\displaystyle 1임을 결정할 수 있다.

한편 (f∘f∘⋯∘f)⏟2n(x)=∣∣⋯∣∣x−1∣−1∣⋯ ∣−1∣=0\displaystyle \underbrace{(f\circ f\circ\cdots\circ f)}_{2n}(x)=\bigl|\bigl|\cdots\bigl||x-1|-1\bigr|\cdots\bigr|-1\bigr|=0의 근이 모두 2의 배수인 정수임을 알 수 있다. 자연수 2n\displaystyle 2n에 대하여 문제 (2)와 같이 y=2nx2\displaystyle y=2nx^2이 짝수가 되는 닫힌구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]의 모든 x\displaystyle x를 구하면 x=±2k2n (k=0,1,⋯ ,n)\displaystyle x=\pm\sqrt{\frac{2k}{2n}}\ (k=0,1,\cdots,n)이다. 따라서 구하는 거리의 합 S2n\displaystyle S_{2n}은 ∑k=1n2kn\displaystyle \sum_{k=1}^n2\sqrt{\frac kn}이며 정적분의 성질을 활용하여 극한값을 구하면lim⁡n→∞S2n2n=lim⁡n→∞12n∑k=1n2kn=∫01x dx=23\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_{2n}}{2n}=\lim_{n\to\infty}\frac1{2n}\sum_{k=1}^n2\sqrt{\frac kn}=\int_0^1\sqrt x\,dx=\frac23 이다.

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