수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

🔒
짧은 시간에 너무 많은 문제를 여셔서 열람을 잠시 제한했습니다. 잠시 후 다시 시도하시거나 로그인해 주세요.
해설강의 준비중

(1) 임의의 실수 π2<t<π2\displaystyle -\frac{\pi}{2}<t<\frac{\pi}{2}에 대해 좌표평면의 점 P(2cost,sint)\displaystyle \mathrm{P}(2\cos t,\sin t)를 모두 지나고 두 점 F(3,0)\displaystyle \mathrm{F}(-\sqrt{3},0), F(3,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(\sqrt{3},0)에서 점 P\displaystyle \mathrm{P}까지 거리의 합이 일정한 이차곡선의 방정식을 구하시오.풀이: 두 점에서 거리의 합이 일정한 이차곡선은 타원이며, 중심이 원점이고 두 초점이 x\displaystyle x축 위에 있는 타원의 방정식은 다음과 같다.x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1 (단, b2=a2c2\displaystyle b^{2}=a^{2}-c^{2})c2=3\displaystyle c^{2}=3이고 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 이 곡선 위에 있으므로, 다음의 식을 얻을 수 있다.4cos2ta2+sin2ta23=1\displaystyle \frac{4\cos^{2}t}{a^{2}}+\frac{\sin^{2}t}{a^{2}-3}=1위 식은 t=0\displaystyle t=0일 때에도 성립하므로 a2=4\displaystyle a^{2}=4이다. 따라서 타원의 방정식은 다음과 같다.x24+y2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{4}+y^{2}=1

(2) 임의의 실수 π2<t<π2\displaystyle -\frac{\pi}{2}<t<\frac{\pi}{2}에 대해 좌표평면의 점 Q(3sect,2tant)\displaystyle \mathrm{Q}(3\sec t,2\tan t)를 모두 지나고 두 점 F(13,0)\displaystyle \mathrm{F}(-\sqrt{13},0), F(13,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(\sqrt{13},0)에서 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}까지 거리의 차가 일정한 이차곡선의 방정식을 구하시오.풀이: 두 점에서 거리의 차가 일정한 이차곡선은 쌍곡선이며, 중심이 원점이고 두 초점이 x\displaystyle x축 위에 있는 쌍곡선의 방정식은 다음과 같다.x2a2y2b2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{a^{2}}-\frac{y^{2}}{b^{2}}=1 (단, b2=c2a2\displaystyle b^{2}=c^{2}-a^{2})c2=13\displaystyle c^{2}=13이고 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}가 이 곡선 위에 있으므로, 다음의 식을 얻을 수 있다.9sec2ta24tan2t13a2=1\displaystyle \frac{9\sec^{2}t}{a^{2}}-\frac{4\tan^{2}t}{13-a^{2}}=1위 식은 t=0\displaystyle t=0일 때에도 성립하므로 a2=9\displaystyle a^{2}=9이다. 따라서 쌍곡선의 방정식은 다음과 같다.x29y24=1\displaystyle \frac{x^{2}}{9}-\frac{y^{2}}{4}=1

(3) 2\displaystyle 2보다 큰 자연수 n\displaystyle n에 대하여 좌표평면 위의 세 점 A(32,0)\displaystyle \mathrm{A}\left(-\frac{3}{2},0\right), Pn(2cos(π2n),sin(π2n))\displaystyle \mathrm{P}_{n}\left(2\cos\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right),\sin\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right)\right), Qn(3sec(π2n),2tan(π2n))\displaystyle \mathrm{Q}_{n}\left(3\sec\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right),2\tan\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right)\right)을 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이를 54Bn\displaystyle \frac{5}{4}B_{n}이라 할 때, Bn\displaystyle B_{n}을 구하시오.풀이: 2\displaystyle 2보다 큰 자연수 n\displaystyle n에 대해 각 θn=π2n\displaystyle \theta_{n}=\frac{\pi}{2^{n}}이라 하자. 선분 APn\displaystyle \mathrm{AP}_{n}의 길이는APn=(2cosθn+32)2+(sinθn)2\displaystyle \overline{\mathrm{AP}_{n}}=\sqrt{\left(2\cos\theta_{n}+\frac{3}{2}\right)^{2}+(\sin\theta_{n})^{2}}이다. 점 A\displaystyle \mathrm{A}Pn\displaystyle \mathrm{P}_{n}을 지나는 직선 \displaystyle \ell의 방정식은sinθnx(2cosθn+32)y+32sinθn=0\displaystyle \sin\theta_{n}x-\left(2\cos\theta_{n}+\frac{3}{2}\right)y+\frac{3}{2}\sin\theta_{n}=0이다. 점 Qn=(3sec(π2n),2tan(π2n))\displaystyle \mathrm{Q}_{n}=\left(3\sec\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right),2\tan\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right)\right)에서 직선 \displaystyle \ell까지의 거리는h=sinθn(3secθn)(2cosθn+32)(2tanθn)+32sinθnsin2θn+(2cosθn+32)2=5sinθn2APn\displaystyle h=\frac{\left|\sin\theta_{n}(3\sec\theta_{n})-\left(2\cos\theta_{n}+\frac{3}{2}\right)(2\tan\theta_{n})+\frac{3}{2}\sin\theta_{n}\right|}{\sqrt{\sin^{2}\theta_{n}+\left(2\cos\theta_{n}+\frac{3}{2}\right)^{2}}}=\frac{5|\sin\theta_{n}|}{2\overline{\mathrm{AP}_{n}}}이고, 따라서 삼각형 APnQn\displaystyle \mathrm{AP}_{n}\mathrm{Q}_{n}의 넓이는 12×APn×h=54sinθn\displaystyle \frac{1}{2}\times\overline{\mathrm{AP}_{n}}\times h=\frac{5}{4}|\sin\theta_{n}|이다. 0<θn=π2n<π2\displaystyle 0<\theta_{n}=\frac{\pi}{2^{n}}<\frac{\pi}{2}이므로, Bn=sin(π2n)\displaystyle B_{n}=\sin\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right)이다.

(4) 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{2}\right]에서 정의된 함수 f(x)=sinx\displaystyle f(x)=\sin x의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)라 하자. 2\displaystyle 2보다 큰 자연수 n\displaystyle n에 대하여Cn=01Bncos(g(Bnx))dx\displaystyle C_{n}=\int_{0}^{1}\frac{B_{n}}{\cos(g(B_{n}x))}\,dx로 정의할 때, 급수 n=2Cn\displaystyle \sum_{n=2}^{\infty}C_{n}의 수렴, 발산을 조사하고, 수렴하면 그 합을 구하시오.풀이: 치환적분을 이용하면 Cn=0Bn1cos(g(x))dx\displaystyle C_{n}=\int_{0}^{B_{n}}\frac{1}{\cos(g(x))}\,dx이다. f(x)=cosx\displaystyle f^{\prime}(x)=\cos x이므로 역함수의 미분법에 의해g(x)=(f1)(x)=1f(f1(x))=1cos(g(x))\displaystyle g^{\prime}(x)=(f^{-1})^{\prime}(x)=\frac{1}{f^{\prime}(f^{-1}(x))}=\frac{1}{\cos(g(x))}임을 알 수 있고, 따라서 g(x)\displaystyle g(x)1cos(g(x))\displaystyle \frac{1}{\cos(g(x))}의 한 부정적분이 된다. 정적분의 정의에 의해 Cn=0Bng(x)dx=g(Bn)g(0)\displaystyle C_{n}=\int_{0}^{B_{n}}g^{\prime}(x)\,dx=g(B_{n})-g(0)이고, n2\displaystyle n\ge2인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0<π2n<π2\displaystyle 0<\frac{\pi}{2^{n}}<\frac{\pi}{2}이므로 g(Bn)=g(f(π2n))=π2n\displaystyle g(B_{n})=g\left(f\left(\frac{\pi}{2^{n}}\right)\right)=\frac{\pi}{2^{n}}이다. g(0)=0\displaystyle g(0)=0이므로 Cn=π2n\displaystyle C_{n}=\frac{\pi}{2^{n}}임을 알 수 있고, 급수 n=2Cn\displaystyle \sum_{n=2}^{\infty}C_{n}은 첫째항이 π4\displaystyle \frac{\pi}{4}이고 공비가 12\displaystyle \frac{1}{2}인 등비급수가 되므로 수렴하며, 그 합은 π4112=π2\displaystyle \frac{\frac{\pi}{4}}{1-\frac{1}{2}}=\frac{\pi}{2}이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.