수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

오류 제보

동일 문항

해설강의 바로가기 ↓

문제

[문제 1] 닫힌 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 정의된 함수 f(x)=exsin⁡x\displaystyle f(x)=e^x\sin x가 있다. f(x)\displaystyle f(x)가 x=θ\displaystyle x=\theta에서 최댓값 M\displaystyle M을 가질 때 다음 물음에 답하시오. [35점]

(1) θ\displaystyle \theta와 M\displaystyle M의 값을 구하시오.

(2) n≥4\displaystyle n\ge4인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 등식이 성립함을 보이시오.f(θ+1nπ)=Me1nπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)\displaystyle f\left(\theta+\frac1n\pi\right)=Me^{\frac1n\pi}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)

(3) n≥4\displaystyle n\ge4인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 부등식이 성립함을 보이시오.Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ<∫0π{f(x)}ndx<Mnπ\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx<M^n\pi

(4) lim⁡n→∞(∫0π{f(x)}ndx)1n=M\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}=M임을 보이시오.(단, n\displaystyle n은 4\displaystyle 4 이상의 자연수이고, lim⁡n→∞n1n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^{\frac1n}=1이다.)

1-(1) θ\displaystyle \theta와 M\displaystyle M의 값을 구하시오.

+2점

[풀이]함수 f(x)=exsin⁡x\displaystyle f(x)=e^x\sin x를 미분하면 f′(x)=exsin⁡x+excos⁡x=ex(sin⁡x+cos⁡x)\displaystyle f^{\prime}(x)=e^x\sin x+e^x\cos x=e^x(\sin x+\cos x)이고,

+1점 · x=34π\displaystyle x=\frac34\pi에서만 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0

x=34π\displaystyle x=\frac34\pi에서만 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이다.

+2점 · x<34π\displaystyle x<\frac34\pi에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 이 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)가 증가

x<34π\displaystyle x<\frac34\pi에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 이 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)가 증가하고

+2점 · x>34π\displaystyle x>\frac34\pi에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 이 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)가 감소

x>34π\displaystyle x>\frac34\pi에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 이 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)가 감소한다.

+2점 · 최댓값 f(34π)=e34πsin⁡34π=e34π12\displaystyle f\left(\frac34\pi\right)=e^{\frac34\pi}\sin\frac34\pi=e^{\frac34\pi}\frac1{\sqrt2}

그러므로 f(x)\displaystyle f(x)는 x=34π\displaystyle x=\frac34\pi에서 최댓값 f(34π)=e34πsin⁡34π=e34π12\displaystyle f\left(\frac34\pi\right)=e^{\frac34\pi}\sin\frac34\pi=e^{\frac34\pi}\frac1{\sqrt2}을 가진다.

+1점

따라서 θ=34π\displaystyle \theta=\frac34\pi이고 M=e34π12\displaystyle M=e^{\frac34\pi}\frac1{\sqrt2}이다.

1-(2) n≥4\displaystyle n\ge4인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 등식이 성립함을 보이시오.f(θ+1nπ)=Me1nπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)\displaystyle f\left(\theta+\frac1n\pi\right)=Me^{\frac1n\pi}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)

+3점 · f(θ+1nπ)=e34π⋅e1nπ{12cos⁡1nπ−12sin⁡1nπ}\displaystyle f\left(\theta+\frac1n\pi\right)=e^{\frac34\pi}\cdot e^{\frac1n\pi}\left\{\frac1{\sqrt2}\cos\frac1n\pi-\frac1{\sqrt2}\sin\frac1n\pi\right\}
+2점 · e34π⋅e1nπ{12cos⁡1nπ−12sin⁡1nπ}=e34π12⋅e1nπ{cos⁡1nπ−sin⁡1nπ}\displaystyle e^{\frac34\pi}\cdot e^{\frac1n\pi}\left\{\frac1{\sqrt2}\cos\frac1n\pi-\frac1{\sqrt2}\sin\frac1n\pi\right\}=e^{\frac34\pi}\frac1{\sqrt2}\cdot e^{\frac1n\pi}\left\{\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right\}

[풀이]지수함수의 성질과 삼각함수의 덧셈정리에 의하여 아래의 등식을 얻는다.f(θ+1nπ)=eθ+1nπsin⁡(θ+1nπ)=eθ+1nπ{sin⁡θcos⁡1nπ+cos⁡θsin⁡1nπ}=e34π⋅e1nπ{12cos⁡1nπ−12sin⁡1nπ}=e34π12⋅e1nπ{cos⁡1nπ−sin⁡1nπ}=M⋅e1nπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)\displaystyle \begin{aligned}f\left(\theta+\frac1n\pi\right)&=e^{\theta+\frac1n\pi}\sin\left(\theta+\frac1n\pi\right)\\&=e^{\theta+\frac1n\pi}\left\{\sin\theta\cos\frac1n\pi+\cos\theta\sin\frac1n\pi\right\}\\&=e^{\frac34\pi}\cdot e^{\frac1n\pi}\left\{\frac1{\sqrt2}\cos\frac1n\pi-\frac1{\sqrt2}\sin\frac1n\pi\right\}\\&=e^{\frac34\pi}\frac1{\sqrt2}\cdot e^{\frac1n\pi}\left\{\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right\}\\&=M\cdot e^{\frac1n\pi}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\end{aligned}

1-(3) n≥4\displaystyle n\ge4인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 부등식이 성립함을 보이시오.Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ<∫0π{f(x)}ndx<Mnπ\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx<M^n\pi

+2점 · 부등식의 오른쪽 부분: x∈[0,π]\displaystyle x\in[0,\pi]에서 0≤f(x)≤M\displaystyle 0\le f(x)\le M이므로 0≤{f(x)}n≤Mn\displaystyle 0\le\{f(x)\}^n\le M^n이 성립

[풀이]오른쪽 부등식: x∈[0,π]\displaystyle x\in[0,\pi]에 대하여 0≤f(x)≤M\displaystyle 0\le f(x)\le M이므로 0≤{f(x)}n≤Mn\displaystyle 0\le\{f(x)\}^n\le M^n이 성립하고

+2점

f(x)\displaystyle f(x)가 상수함수가 아니므로, 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 적분하면∫0π{f(x)}ndx<∫0πMndx=Mnπ\displaystyle \int_0^\pi\{f(x)\}^n dx<\int_0^\pi M^n dx=M^n\pi이다.

+2점 · 부등식의 왼쪽 부분: [34π,34π+1nπ]\displaystyle \left[\frac34\pi,\frac34\pi+\frac1n\pi\right]에서 Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n≤{f(x)}n\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\le\{f(x)\}^n

왼쪽 부등식: n≥4\displaystyle n\ge4일 때, 34π<34π+1nπ≤π\displaystyle \frac34\pi<\frac34\pi+\frac1n\pi\le\pi이고 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [34π,π]\displaystyle \left[\frac34\pi,\pi\right]에서 감소하므로 구간 [34π,34π+1nπ]\displaystyle \left[\frac34\pi,\frac34\pi+\frac1n\pi\right]에 속한 x\displaystyle x에 대하여f(π)≤f(34π+1nπ)≤f(x)\displaystyle f(\pi)\le f\left(\frac34\pi+\frac1n\pi\right)\le f(x)이다. 따라서0≤Me1nπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)≤f(x)\displaystyle 0\le Me^{\frac1n\pi}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\le f(x)가 성립한다.

+2점 · Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ=∫34π34π+1nπMneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)ndx\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi=\int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n dx

구간 [34π,34π+1nπ]\displaystyle \left[\frac34\pi,\frac34\pi+\frac1n\pi\right]에서{Me1nπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)}n=Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n≤{f(x)}n\displaystyle \left\{Me^{\frac1n\pi}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\right\}^n=M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\le\{f(x)\}^n이므로 위의 부등식을 적분하면Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ=∫34π34π+1nπMneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)ndx≤∫34π34π+1nπ{f(x)}ndx\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi=\int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n dx\le\int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}\{f(x)\}^n dx가 성립한다.

+2점 · ∫34π34π+1nπMneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)ndx≤∫34π34π+1nπ{f(x)}ndx\displaystyle \int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n dx\le\int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}\{f(x)\}^n dx

그리고 구간 [34π,34π+1nπ]\displaystyle \left[\frac34\pi,\frac34\pi+\frac1n\pi\right]가 [0,π]\displaystyle [0,\pi]의 부분집합이고 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이므로∫34π34π+1nπ{f(x)}ndx<∫0π{f(x)}ndx\displaystyle \int_{\frac34\pi}^{\frac34\pi+\frac1n\pi}\{f(x)\}^n dx<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx가 성립한다. 위의 두 부등식으로부터Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ<∫0π{f(x)}ndx\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx를 얻는다. 그러므로 n≥4\displaystyle n\ge4에 대하여Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ<∫0π{f(x)}ndx<Mnπ\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx<M^n\pi가 성립한다.

1-(4) lim⁡n→∞(∫0π{f(x)}ndx)1n=M\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}=M임을 보이시오. (단, n\displaystyle n은 4\displaystyle 4 이상의 자연수이고, lim⁡n→∞n1n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^{\frac1n}=1이다.)

[풀이]문항 1-(3)의 부등식Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ<∫0π{f(x)}ndx<Mnπ\displaystyle M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi<\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx<M^n\pi에 xn\displaystyle \sqrt[n]{\phantom{x}}을 적용하면(Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ)1n<(∫0π{f(x)}ndx)1n<(Mnπ)1n=M⋅π1n\displaystyle \left(M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi\right)^{\frac1n}<\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}<(M^n\pi)^{\frac1n}=M\cdot\pi^{\frac1n}이다. 위 부등식의 왼쪽 부분을 정리하면(Mneπ(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)n1nπ)1n=Meπn(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)1n1nπ1n\displaystyle \left(M^ne^\pi\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)^n\frac1n\pi\right)^{\frac1n}=Me^{\frac\pi n}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\frac1{n^{\frac1n}}\pi^{\frac1n}

+2점

이므로, 위의 부등식을 다시 쓰면Meπn(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)1n1nπ1n<(∫0π{f(x)}ndx)1n<M⋅π1n\displaystyle Me^{\frac\pi n}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\frac1{n^{\frac1n}}\pi^{\frac1n}<\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}<M\cdot\pi^{\frac1n}

+3점

이고, 극한값의 대소관계에 의하여lim⁡n→∞Meπn(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)1n1nπ1n≤lim⁡n→∞(∫0π{f(x)}ndx)1n≤lim⁡n→∞M⋅π1n\displaystyle \lim_{n\to\infty}Me^{\frac\pi n}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\frac1{n^{\frac1n}}\pi^{\frac1n}\le\lim_{n\to\infty}\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}\le\lim_{n\to\infty}M\cdot\pi^{\frac1n}이 된다.

+1점

여기에서 π\displaystyle \pi와 e\displaystyle e는 상수이므로lim⁡n→∞eπn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}e^{\frac\pi n}=1과

+1점

lim⁡n→∞π1n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\pi^{\frac1n}=1

+1점

을 얻고, 또한lim⁡n→∞(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)=cos⁡0−sin⁡0=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)=\cos0-\sin0=1

이며, 주어진 조건에 의하여lim⁡n→∞n1n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^{\frac1n}=1

+1점

이다. 그러므로lim⁡n→∞Meπn(cos⁡1nπ−sin⁡1nπ)1n1nπ1n=M\displaystyle \lim_{n\to\infty}Me^{\frac\pi n}\left(\cos\frac1n\pi-\sin\frac1n\pi\right)\frac1{n^{\frac1n}}\pi^{\frac1n}=M

+1점

이고lim⁡n→∞M⋅π1n=M\displaystyle \lim_{n\to\infty}M\cdot\pi^{\frac1n}=M

이다. 따라서 위의 부등식은M≤lim⁡n→∞(∫0π{f(x)}ndx)1n≤M\displaystyle M\le\lim_{n\to\infty}\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}\le M이다. 그러므로 lim⁡n→∞(∫0π{f(x)}ndx)1n=M\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\int_0^\pi\{f(x)\}^n dx\right)^{\frac1n}=M이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.