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자연계열 II 2번

문제

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(1) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(n)=1\displaystyle f(n)=1임을 보이시오.풀이: 조건 (가)에 의해 f(0)=cos0=1\displaystyle f(0)=|\cos0|=1이다. 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해서, 조건 (다)에 의해,f(n)=1+(13)n(f(2n(nn)[2n(nn)])1)=1+(13)n(f(0)1)=1\displaystyle f(n)=1+\left(-\frac{1}{3}\right)^{n}\left(f(2^{n}(n-n)-[2^{n}(n-n)])-1\right)=1+\left(-\frac{1}{3}\right)^{n}(f(0)-1)=1이다.

(2) 직선 y=89\displaystyle y=\frac{8}{9}과 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점의 개수를 구하시오.풀이: 그래프의 개형을 살펴보고 양수 x\displaystyle x0<x1\displaystyle 0<x\le1, 1x2\displaystyle 1\le x\le2, 2x3\displaystyle 2\le x\le3, 3x\displaystyle 3\le x로 나누어 살펴본다.조건 (다)에 의해 임의의 자연수 n\displaystyle n0k<n\displaystyle 0\le k<n인 음이 아닌 정수 k\displaystyle k에 대해서,Correction. 두 곳의 0k<n\displaystyle 0\le k<n0k<2n\displaystyle 0\le k<2^n의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.n+k2nx<n+k+12n\displaystyle n+\frac{k}{2^{n}}\le x<n+\frac{k+1}{2^{n}}인 실수 x\displaystyle x[2n(xn)]=k\displaystyle [2^{n}(x-n)]=k를 만족하고 02n(xn)k<1\displaystyle 0\le2^{n}(x-n)-k<1이므로f(x)=1+(13)n(f(2n(xn)[2n(xn)])1)=1+(13)n(f(2n(xn)k)1)\displaystyle f(x)=1+\left(-\frac{1}{3}\right)^{n}\left(f(2^{n}(x-n)-[2^{n}(x-n)])-1\right)=1+\left(-\frac{1}{3}\right)^{n}\left(f(2^{n}(x-n)-k)-1\right)이고 1f(2n(xn)k)10\displaystyle -1\le f(2^{n}(x-n)-k)-1\le0이다.(ㄱ) 만약 3x\displaystyle 3\le x이면 n3\displaystyle n\ge3이고, 0k<n\displaystyle 0\le k<n인 모든 음이 아닌 정수와n+k2nx<n+k+12n\displaystyle n+\frac{k}{2^{n}}\le x<n+\frac{k+1}{2^{n}}인 실수 x\displaystyle x에 대해서 n\displaystyle n이 홀수이면 부등식f(x)1>89\displaystyle f(x)\ge1>\frac{8}{9}을 만족시키고, n\displaystyle n이 짝수이면 부등식f(x)1(13)n8081>89\displaystyle f(x)\ge1-\left(-\frac{1}{3}\right)^{n}\ge\frac{80}{81}>\frac{8}{9}을 만족시킨다. 따라서 3x\displaystyle 3\le x인 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}인 실수는 존재하지 않는다.(ㄴ) 만약 0x<1\displaystyle 0\le x<1이면, f(x)=cosπx\displaystyle f(x)=|\cos\pi x|이므로 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}인 양의 실수 x\displaystyle x의 개수는 2\displaystyle 2이다.(ㄷ) 만약 1x<2\displaystyle 1\le x<2이면, 위 식에 의해 f(x)=1+(13)(f(2(x1)[2(x1)])1)\displaystyle f(x)=1+\left(-\frac{1}{3}\right)(f(2(x-1)-[2(x-1)])-1)이고 1f(2(x1)[2(x1)])10\displaystyle -1\le f(2(x-1)-[2(x-1)])-1\le0이다.따라서 1x<2\displaystyle 1\le x<2인 실수 x\displaystyle x1=1+(13)×01+(13)(f(2(x1)[2(x1)])1)1+(13)×(1)=43\displaystyle 1=1+\left(-\frac{1}{3}\right)\times0\le1+\left(-\frac{1}{3}\right)(f(2(x-1)-[2(x-1)])-1)\le1+\left(-\frac{1}{3}\right)\times(-1)=\frac{4}{3}을 항상 만족하므로 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}인 실수 x\displaystyle x가 이 범위에서는 존재하지 않는다.(ㄹ) 실수 x\displaystyle x2x<3\displaystyle 2\le x<3이고 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}을 만족시킨다고 하자. 위 식에 의해f(4(x2)[4(x2)])=0\displaystyle f(4(x-2)-[4(x-2)])=0이다.(a) 2x<94\displaystyle 2\le x<\frac{9}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 04(x2)<1\displaystyle 0\le4(x-2)<1이므로 이 범위에서는 x=178\displaystyle x=\frac{17}{8}만 방정식 f(4(x2)[4(x2)])=f(4(x2))=cos(4πx8π)=0\displaystyle f(4(x-2)-[4(x-2)])=f(4(x-2))=|\cos(4\pi x-8\pi)|=0을 만족한다.(b) 94x<104\displaystyle \frac{9}{4}\le x<\frac{10}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 14(x2)<2\displaystyle 1\le4(x-2)<2이므로 이 범위에서는 x=198\displaystyle x=\frac{19}{8}만 방정식 f(4(x2)[4(x2)])=f(4(x2)1)=cos(4πx9π)=0\displaystyle f(4(x-2)-[4(x-2)])=f(4(x-2)-1)=|\cos(4\pi x-9\pi)|=0을 만족한다.(c) 104x<114\displaystyle \frac{10}{4}\le x<\frac{11}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 24(x2)<3\displaystyle 2\le4(x-2)<3이므로 이 범위에서는 x=218\displaystyle x=\frac{21}{8}만 방정식 f(4(x2)[4(x2)])=f(4(x2)2)=cos(4πx10π)=0\displaystyle f(4(x-2)-[4(x-2)])=f(4(x-2)-2)=|\cos(4\pi x-10\pi)|=0을 만족한다.(d) 114x<3\displaystyle \frac{11}{4}\le x<3인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 34(x2)<4\displaystyle 3\le4(x-2)<4이므로 이 범위에서는 x=238\displaystyle x=\frac{23}{8}만 방정식 f(4(x2)[4(x2)])=f(4(x2)3)=cos(4πx11π)=0\displaystyle f(4(x-2)-[4(x-2)])=f(4(x-2)-3)=|\cos(4\pi x-11\pi)|=0을 만족한다.따라서 2x<3\displaystyle 2\le x<3인 범위 내에서는 x=178,198,218,238\displaystyle x=\frac{17}{8},\frac{19}{8},\frac{21}{8},\frac{23}{8}에서만 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}을 만족한다.(ㄱ), (ㄴ), (ㄷ), (ㄹ)에 따라 f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}을 만족하는 양수인 실수 x\displaystyle x의 개수는 6\displaystyle 6이다. f(0)=1\displaystyle f(0)=1이고 조건 (나)에 의해 함수 f(x)\displaystyle f(x)f(x)=f(x)\displaystyle f(x)=f(-x)를 만족하므로, f(x)=89\displaystyle f(x)=\frac{8}{9}을 만족하는 실수 x\displaystyle x의 개수는 12\displaystyle 12이다.

원점의 좌우에서 반복하며 진폭이 작아지는 함수 f의 그래프
[그림 1]

(3) 33f(x)dx\displaystyle \int_{-3}^{3}f(x)\,dx의 값을 구하시오.풀이: 조건 (나)에 의해 함수 f(x)\displaystyle f(x)f(x)=f(x)\displaystyle f(x)=f(-x)를 만족하므로,33f(x)dx=203f(x)dx\displaystyle \int_{-3}^{3}f(x)\,dx=2\int_{0}^{3}f(x)\,dx이다. 조건 (가)와 (1)에 의해, 모든 0x1\displaystyle 0\le x\le1인 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=cosπx\displaystyle f(x)=|\cos\pi x|이므로01f(x)dx=01cosπxdx=01/2cosπxdx1/21cosπxdx=2π0π/2cosxdx=2π\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)\,dx=\int_{0}^{1}|\cos\pi x|\,dx=\int_{0}^{1/2}\cos\pi x\,dx-\int_{1/2}^{1}\cos\pi x\,dx=\frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi/2}\cos x\,dx=\frac{2}{\pi}이다. 조건 (다)에 의해, 1x<32\displaystyle 1\le x<\frac{3}{2}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 02x2<1\displaystyle 0\le2x-2<1이므로f(x)=113(f(2x2)1)=113(cos(2πx2π)1)=4313(cos(2πx2π))\displaystyle f(x)=1-\frac{1}{3}(f(2x-2)-1)=1-\frac{1}{3}(|\cos(2\pi x-2\pi)|-1)=\frac{4}{3}-\frac{1}{3}(|\cos(2\pi x-2\pi)|)이고 32x<2\displaystyle \frac{3}{2}\le x<2인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 02x3<1\displaystyle 0\le2x-3<1이므로f(x)=113(f(2x3)1)=113(cos(2πx3π)1)=4313(cos(2πx3π))\displaystyle f(x)=1-\frac{1}{3}(f(2x-3)-1)=1-\frac{1}{3}(|\cos(2\pi x-3\pi)|-1)=\frac{4}{3}-\frac{1}{3}(|\cos(2\pi x-3\pi)|)이다. 따라서12f(x)dx=13/2f(x)dx+3/22f(x)dx=4313(13/2cos(2πx2π)dx+3/22cos(2πx3π)dx)\displaystyle \int_{1}^{2}f(x)\,dx=\int_{1}^{3/2}f(x)\,dx+\int_{3/2}^{2}f(x)\,dx=\frac{4}{3}-\frac{1}{3}\left(\int_{1}^{3/2}|\cos(2\pi x-2\pi)|dx+\int_{3/2}^{2}|\cos(2\pi x-3\pi)|dx\right)이고 치환적분법에 의해,12f(x)dx=4313(13/2cos(2πx2π)dx+3/22cos(2πx3π)dx)=431301cosπxdx=4323π\displaystyle \begin{aligned}\int_{1}^{2}f(x)\,dx&=\frac{4}{3}-\frac{1}{3}\left(\int_{1}^{3/2}|\cos(2\pi x-2\pi)|dx+\int_{3/2}^{2}|\cos(2\pi x-3\pi)|dx\right)\\&=\frac{4}{3}-\frac{1}{3}\int_{0}^{1}|\cos\pi x|\,dx=\frac{4}{3}-\frac{2}{3\pi}\end{aligned}이다. 비슷하게, 조건 (다)에 의해, 2x<94\displaystyle 2\le x<\frac{9}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 04x8<1\displaystyle 0\le4x-8<1이므로f(x)=1+19(f(4x8)1)=1+19(cos(4πx8π)1)=89+19(cos(4πx8π))\displaystyle f(x)=1+\frac{1}{9}(f(4x-8)-1)=1+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-8\pi)|-1)=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-8\pi)|)이고 94x<104\displaystyle \frac{9}{4}\le x<\frac{10}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 04x9<1\displaystyle 0\le4x-9<1이므로f(x)=1+19(f(4x9)1)=1+19(cos(4πx9π)1)=89+19(cos(4πx9π))\displaystyle f(x)=1+\frac{1}{9}(f(4x-9)-1)=1+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-9\pi)|-1)=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-9\pi)|)이고 104x<114\displaystyle \frac{10}{4}\le x<\frac{11}{4}인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 04x10<1\displaystyle 0\le4x-10<1이므로f(x)=1+19(f(4x10)1)=1+19(cos(4πx10π)1)=89+19(cos(4πx10π))\displaystyle f(x)=1+\frac{1}{9}(f(4x-10)-1)=1+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-10\pi)|-1)=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-10\pi)|)이고 114x<3\displaystyle \frac{11}{4}\le x<3인 실수 x\displaystyle x에 대하여, 04x11<1\displaystyle 0\le4x-11<1이므로f(x)=1+19(f(4x11)1)=1+19(cos(4πx11π)1)=89+19(cos(4πx11π))\displaystyle f(x)=1+\frac{1}{9}(f(4x-11)-1)=1+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-11\pi)|-1)=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}(|\cos(4\pi x-11\pi)|)이다. 따라서23f(x)dx=89+19(29/4cos(4πx8π)dx+9/45/2cos(4πx9π)dx+5/211/4cos(4πx10π)dx+11/43cos(4πx11π)dx)\displaystyle \begin{aligned}\int_{2}^{3}f(x)\,dx=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}\bigg(&\int_{2}^{9/4}|\cos(4\pi x-8\pi)|\,dx+\int_{9/4}^{5/2}|\cos(4\pi x-9\pi)|\,dx\\&+\int_{5/2}^{11/4}|\cos(4\pi x-10\pi)|\,dx+\int_{11/4}^{3}|\cos(4\pi x-11\pi)|\,dx\bigg)\end{aligned}이고 치환적분법에 의해23f(x)dx=89+1901cosπxdx=89+29π\displaystyle \int_{2}^{3}f(x)\,dx=\frac{8}{9}+\frac{1}{9}\int_{0}^{1}|\cos\pi x|\,dx=\frac{8}{9}+\frac{2}{9\pi}이다. 정리하면,33f(x)dx=203f(x)dx=2(2π+4323π+89+29π)=289π+409\displaystyle \int_{-3}^{3}f(x)\,dx=2\int_{0}^{3}f(x)\,dx=2\left(\frac{2}{\pi}+\frac{4}{3}-\frac{2}{3\pi}+\frac{8}{9}+\frac{2}{9\pi}\right)=\frac{28}{9\pi}+\frac{40}{9}이다.

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