수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 01f(x)dx=I44I5+6I64I7+I8\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)dx=I_{4}-4I_{5}+6I_{6}-4I_{7}+I_{8}이 성립함을 보이시오.풀이: x=tanθ\displaystyle x=\tan\theta이면, dxdθ=sec2θdθ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=\sec^{2}\theta d\theta이고 1+x2=1+tan2θ=sec2θ\displaystyle 1+x^{2}=1+\tan^{2}\theta=\sec^{2}\theta이다. 따라서Correction. dxdθ=sec2θdθ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=\sec^2\theta\,d\thetadxdθ=sec2θ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=\sec^2\theta 또는 dx=sec2θdθ\displaystyle dx=\sec^2\theta\,d\theta로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.01f(x)dx=0π/4tan4θ(1tanθ)4dθ=0π/4{tan4θ4tan5θ+6tan6θ4tan7θ+tan8θ}dθ=I44I5+6I64I7+I8\displaystyle \begin{aligned}\int_{0}^{1}f(x)dx&=\int_{0}^{\pi/4}\tan^{4}\theta(1-\tan\theta)^{4}d\theta\\&=\int_{0}^{\pi/4}\{\tan^{4}\theta-4\tan^{5}\theta+6\tan^{6}\theta-4\tan^{7}\theta+\tan^{8}\theta\}d\theta\\&=I_{4}-4I_{5}+6I_{6}-4I_{7}+I_{8}\end{aligned}이다.

(2) 01f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)dx의 값을 구하시오.풀이: 1+tan2θ=sec2θ\displaystyle 1+\tan^{2}\theta=\sec^{2}\theta이므로 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해,In+2=0π/4tann+2θdθ=0π/4tannθ(sec2θ1)dθ=0π/4tannθsec2θdθ0π/4tannθdθ=[tann+1θn+1]θ=0θ=π/4In=1n+1In\displaystyle \begin{aligned}I_{n+2}&=\int_{0}^{\pi/4}\tan^{n+2}\theta d\theta=\int_{0}^{\pi/4}\tan^{n}\theta(\sec^{2}\theta-1)d\theta\\&=\int_{0}^{\pi/4}\tan^{n}\theta\sec^{2}\theta d\theta-\int_{0}^{\pi/4}\tan^{n}\theta d\theta=\Biggl[\frac{\tan^{n+1}\theta}{n+1}\Biggr]_{\theta=0}^{\theta=\pi/4}-I_{n}\\&=\frac{1}{n+1}-I_{n}\end{aligned}이다. I0=0π/41dθ=π4\displaystyle I_{0}=\int_{0}^{\pi/4}1d\theta=\frac{\pi}{4}이라 하면I6=15I4=1513+I2=1513+1I0=1315π4\displaystyle I_{6}=\frac{1}{5}-I_{4}=\frac{1}{5}-\frac{1}{3}+I_{2}=\frac{1}{5}-\frac{1}{3}+1-I_{0}=\frac{13}{15}-\frac{\pi}{4}이다. 따라서01f(x)dx=I44I5+6I64I7+I8=(I4+I6)4(I5+I7)+(I6+I8)+4I6=1546+17+4(1315π4)=227π\displaystyle \begin{aligned}\int_{0}^{1}f(x)dx&=I_{4}-4I_{5}+6I_{6}-4I_{7}+I_{8}\\&=(I_{4}+I_{6})-4(I_{5}+I_{7})+(I_{6}+I_{8})+4I_{6}\\&=\frac{1}{5}-\frac{4}{6}+\frac{1}{7}+4\left(\frac{13}{15}-\frac{\pi}{4}\right)=\frac{22}{7}-\pi\end{aligned}이다.

(3) 01x4(1x)4dx\displaystyle \int_{0}^{1}x^{4}(1-x)^{4}dx의 값을 구하고, 이 값을 이용하여 1979630π39591260\displaystyle \frac{1979}{630}\le\pi\le\frac{3959}{1260}이 성립함을 보이시오.풀이: 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 11+x22\displaystyle 1\le1+x^{2}\le2이 성립하므로 이 구간에서x4(1x)42f(x)x4(1x)4\displaystyle \frac{x^{4}(1-x)^{4}}{2}\le f(x)\le x^{4}(1-x)^{4}가 성립한다. 따라서 적분값 01{f(x)x4(1x)42}dx\displaystyle \int_{0}^{1}\left\{f(x)-\frac{x^{4}(1-x)^{4}}{2}\right\}dx은 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 함수 f(x)x4(1x)42\displaystyle f(x)-\frac{x^{4}(1-x)^{4}}{2}x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이이고 적분값 01{x4(1x)4f(x)}dx\displaystyle \int_{0}^{1}\{x^{4}(1-x)^{4}-f(x)\}dx은 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 함수 x4(1x)4f(x)\displaystyle x^{4}(1-x)^{4}-f(x)x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이가 되므로 각각의 적분값은 0\displaystyle 0보다 크거나 같은 것을 알 수 있다.한편 각각의 적분값을 직접 구해보면01{f(x)x4(1x)42}dx=227π11260\displaystyle \int_{0}^{1}\left\{f(x)-\frac{x^{4}(1-x)^{4}}{2}\right\}dx=\frac{22}{7}-\pi-\frac{1}{1260}이고01{x4(1x)4f(x)}dx=1630227+π\displaystyle \int_{0}^{1}\{x^{4}(1-x)^{4}-f(x)\}dx=\frac{1}{630}-\frac{22}{7}+\pi이다. 따라서 227π112600\displaystyle \frac{22}{7}-\pi-\frac{1}{1260}\ge0이고 1630227+π0\displaystyle \frac{1}{630}-\frac{22}{7}+\pi\ge0이다. 이를 정리하면1979630π39591260\displaystyle \frac{1979}{630}\le\pi\le\frac{3959}{1260}이다.

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