수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 2번

문제

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+4점 · 0x<1\displaystyle 0\le x<1에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 대칭 및 평행이동하여 1x2\displaystyle 1\le x\le2에서의 f(x)\displaystyle f(x)와 같음을 보임.

2-(1) 02f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)dx의 값을 구하시오.[풀이] 조건 (가)로부터 0x1\displaystyle 0\le x\le1에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 x\displaystyle x축 대칭, x\displaystyle x축 방향으로 1\displaystyle 1, y\displaystyle y축 방향으로 a1\displaystyle a-1만큼 평행이동 하면 1x2\displaystyle 1\le x\le2에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프와 같음을 알 수 있다.

+4점 · 치환적분법을 이용하여 12f(x)dx=01(a1f(x))dx\displaystyle \int_{1}^{2}f(x)dx=\int_{0}^{1}(a-1-f(x))dx임을 보임.

이로부터 치환적분법을 이용하면12f(x)dx=01(a1f(x))dx\displaystyle \int_{1}^{2}f(x)dx=\int_{0}^{1}(a-1-f(x))dx임을 알 수 있고,

+4점 · 02f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)dx의 값이 가로가 1\displaystyle 1, 세로가 a1\displaystyle a-1인 직사각형의 넓이와 같음을 이용하여 02f(x)dx=a1\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)dx=a-1임을 보임.

02f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)dx의 값은 가로가 1\displaystyle 1, 세로가 a1\displaystyle a-1인 직사각형의 넓이와 같으므로, 02f(x)dx=a1\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)dx=a-1이다.

+4점 · y=x2n\displaystyle y=x-2n을 이용하여 2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)0y2\displaystyle 0\le y\le2에서의 y\displaystyle y에 관한 함수로 표현.

2-(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2에서의 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.[풀이] 조건 (나)로부터 각 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(x)=anf(x2n)\displaystyle f(x)=a^{-n}f(x-2n)이므로, y=x2n\displaystyle y=x-2n이라 하면 2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2일 때, 0y2\displaystyle 0\le y\le2이고f(y+2n)=anf(y)={aynan(0y1)a1nay1n(1y2)\displaystyle f(y+2n)=a^{-n}f(y)=\begin{cases}a^{y-n}-a^{-n}&(0\le y\le1)\\a^{1-n}-a^{y-1-n}&(1\le y\le2)\end{cases}이다.

+4점 · y=x2n\displaystyle y=x-2n을 대입하여 2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 표현.

다시 x=y+2n\displaystyle x=y+2n이라 하면 위 식으로부터f(x)=anf(x2n)={ax3nan(2nx2n+1)a1nax3n1(2n+1x2n+2)\displaystyle f(x)=a^{-n}f(x-2n)=\begin{cases}a^{x-3n}-a^{-n}&(2n\le x\le2n+1)\\a^{1-n}-a^{x-3n-1}&(2n+1\le x\le2n+2)\end{cases}이다.

+1점 · 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(2n2)=0\displaystyle f(2n-2)=0임을 보임.

2-(3) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축 및 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=2n\displaystyle x=2n으로 둘러싸인 부분의 넓이를 Sn\displaystyle S_{n}이라 할 때, limnSn=2025\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_{n}=2025를 만족시키는 실수 a\displaystyle a의 값을 구하시오.[풀이] 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 조건문으로부터 f(0)=f(2)=0\displaystyle f(0)=f(2)=0이고, (2)의 결과로 자연수 k\displaystyle k에 대해 f(2k)=f(2k+2)=0\displaystyle f(2k)=f(2k+2)=0임을 알 수 있다.

+4점 · 위의 결과를 바탕으로 자연수 n\displaystyle n에 대하여 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축 및 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=2n\displaystyle x=2n으로 둘러싸인 부분의 넓이가 자연수 k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n에 대하여 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축 및 두 직선 x=2k2\displaystyle x=2k-2, x=2k\displaystyle x=2k로 둘러싸인 부분의 넓이의 합으로 표현됨을 보임.

(2k2,2k)\displaystyle (2k-2,2k)에서 f(x)\displaystyle f(x)0\displaystyle 0이 아니므로 Sn\displaystyle S_{n}1kn\displaystyle 1\le k\le n에 대하여 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축 및 두 직선 x=2k2\displaystyle x=2k-2, x=2k\displaystyle x=2k로 둘러싸인 도형의 넓이를 모두 합한 것과 같음을 알 수 있다.

+4점 · 치환적분법을 이용하여 2k22kf(x)dx=ak+102f(x)dx\displaystyle \int_{2k-2}^{2k}f(x)dx=a^{-k+1}\int_{0}^{2}f(x)dx임을 보임.

치환적분법을 이용하면 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축 및 두 직선 x=2k2\displaystyle x=2k-2, x=2k\displaystyle x=2k로 둘러싸인 도형의 넓이는2k22kf(x)dx=02f(x+2k2)dx=a1k02f(x)dx=(a1)a1k\displaystyle \int_{2k-2}^{2k}f(x)dx=\int_{0}^{2}f(x+2k-2)dx=a^{1-k}\int_{0}^{2}f(x)dx=(a-1)a^{1-k}와 같음을 알 수 있고

+3점 · (1)의 결과를 이용하여 Sn=k=1n(a1)a1k\displaystyle S_{n}=\sum_{k=1}^{n}(a-1)a^{1-k}임을 보임.

따라서Sn=k=1n(a1)a1k\displaystyle S_{n}=\sum_{k=1}^{n}(a-1)a^{1-k}가 된다.

+2점 · a>1\displaystyle a>1임을 이용하여 등비급수의 합 n=1(a1)a1n=a\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(a-1)a^{1-n}=a임을 보임.

(a1)a1k\displaystyle (a-1)a^{1-k}는 초항이 a1\displaystyle a-1이고 공비가 1a\displaystyle \frac{1}{a}인 등비수열이고 a>1\displaystyle a>1이므로 등비급수의 합은 수렴하며 limnSn=n=1(a1)a1n=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_{n}=\sum_{n=1}^{\infty}(a-1)a^{1-n}=a이다.

+1점 · 문제의 조건으로부터 a=2025\displaystyle a=2025임을 보임.

따라서 a=2025\displaystyle a=2025이다.

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