수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 1번

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+3점 · 26f(x)cosπx4dx=4π26f(x)sinπx4dx\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=-\frac{4}{\pi}\int_{2}^{6}f^{\prime}(x)\sin\frac{\pi x}{4}\,dx를 유도함.

1-(1) 26f(x)cosπx4dx\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx의 값을 구하시오.[풀이] 부분적분법을 활용하여26f(x)cosπx4dx=4π[f(x)sinπx4]264π26f(x)sinπx4dx\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=\frac{4}{\pi}\Biggl[f(x)\sin\frac{\pi x}{4}\Biggr]_{2}^{6}-\frac{4}{\pi}\int_{2}^{6}f^{\prime}(x)\sin\frac{\pi x}{4}\,dx이다. 조건(나)에서 f(6)=f(2)\displaystyle f(6)=-f(2)이므로[f(x)sinπx4]26=f(6)sin3π2f(2)sinπ2=f(6)f(2)=0\displaystyle \Biggl[f(x)\sin\frac{\pi x}{4}\Biggr]_{2}^{6}=f(6)\sin\frac{3\pi}{2}-f(2)\sin\frac{\pi}{2}=-f(6)-f(2)=0이다. 부분적분법을 적용하면26f(x)cosπx4dx=4π26f(x)sinπx4dx=4π(4π[f(x)cosπx4]26+4π26f(x)cosπx4dx)\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=-\frac{4}{\pi}\int_{2}^{6}f^{\prime}(x)\sin\frac{\pi x}{4}\,dx=-\frac{4}{\pi}\left(-\frac{4}{\pi}\Biggl[f^{\prime}(x)\cos\frac{\pi x}{4}\Biggr]_{2}^{6}+\frac{4}{\pi}\int_{2}^{6}f^{\prime\prime}(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx\right)이다.

+3점 · 26f(x)cosπx4dx=1\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=1을 도출함.

한편 cosπ2=0\displaystyle \cos\frac{\pi}{2}=0, cos3π2=0\displaystyle \cos\frac{3\pi}{2}=0이고 조건(가)에 의하여26f(x)cosπx4dx=4π(4π(f(6)cos3π2f(2)cosπ2)+4π(π216))=1\displaystyle \int_{2}^{6}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=-\frac{4}{\pi}\left(-\frac{4}{\pi}\left(f^{\prime}(6)\cos\frac{3\pi}{2}-f^{\prime}(2)\cos\frac{\pi}{2}\right)+\frac{4}{\pi}\cdot\left(-\frac{\pi^{2}}{16}\right)\right)=1이다.

+3점 · x2\displaystyle x\ge2에서 f(x+4)cosπ(x+4)4=f(x)cosπx4\displaystyle f(x+4)\cos\frac{\pi(x+4)}{4}=f(x)\cos\frac{\pi x}{4}을 유도함.

1-(2) limm1m2n=1man\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}a_{n}의 값을 구하시오.[풀이] 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)g(x)=f(x)cosπx4\displaystyle g(x)=f(x)\cos\frac{\pi x}{4}라 하면, x2\displaystyle x\ge2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대해g(x+4)=f(x+4)cos(π+πx4)=(f(x))(cosπx4)=g(x)\displaystyle g(x+4)=f(x+4)\cdot\cos\left(\pi+\frac{\pi x}{4}\right)=(-f(x))\cdot\left(-\cos\frac{\pi x}{4}\right)=g(x) …… ㉠이다.

+3점 · an=n+02f(x)cosπx4dx\displaystyle a_{n}=n+\int_{0}^{2}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx임을 유도함.

문항(1)에 의하여a1=06g(x)dx=02g(x)dx+26g(x)dx=02g(x)dx+1\displaystyle a_{1}=\int_{0}^{6}g(x)\,dx=\int_{0}^{2}g(x)\,dx+\int_{2}^{6}g(x)\,dx=\int_{0}^{2}g(x)\,dx+1이고 정적분의 성질에 의해서 자연수 n\displaystyle n에 대해an+1an=04n+6g(x)dx04n+2g(x)dx=4n+24n+6g(x)dx\displaystyle a_{n+1}-a_{n}=\int_{0}^{4n+6}g(x)\,dx-\int_{0}^{4n+2}g(x)\,dx=\int_{4n+2}^{4n+6}g(x)\,dx이므로 x=y+4n\displaystyle x=y+4n이라 놓으면 ㉠, 문항(1)에 의하여an+1an=26g(y+4n)dy=26g(y)dy=26f(y)cosπy4dy=1\displaystyle a_{n+1}-a_{n}=\int_{2}^{6}g(y+4n)\,dy=\int_{2}^{6}g(y)\,dy=\int_{2}^{6}f(y)\cos\frac{\pi y}{4}\,dy=1이다.따라서 an\displaystyle a_{n}은 첫째항이 02g(x)dx+1\displaystyle \int_{0}^{2}g(x)\,dx+1, 공차가 1\displaystyle 1인 등차수열이다. 그러므로 등차수열의 일반항 an\displaystyle a_{n}an=(02g(x)dx+1)+(n1)1=n+02g(x)dx\displaystyle a_{n}=\left(\int_{0}^{2}g(x)\,dx+1\right)+(n-1)\cdot1=n+\int_{0}^{2}g(x)\,dx …… ㉡이다.

+3점 · limm1m2n=1mn=12\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}n=\frac{1}{2}을 유도함.

따라서limm1m2n=1man=limm1m2n=1m(n+02g(x)dx)=limm(1m2n=1mn+1m2(02g(x)dx)n=1m1)\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}a_{n}=\lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}\left(n+\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)=\lim_{m\to\infty}\left(\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}n+\frac{1}{m^{2}}\left(\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)\cdot\sum_{n=1}^{m}1\right)이다. 한편, 자연수의 거듭제곱의 합에 의하여 자연수 m\displaystyle m에 대해 n=1mn=m(m+1)2\displaystyle \sum_{n=1}^{m}n=\frac{m(m+1)}{2}, n=1m1=m\displaystyle \sum_{n=1}^{m}1=m이다.

+1점 · limm1m2n=1man=12\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}a_{n}=\frac{1}{2}을 도출함.

이를 위 식에 대입하면 수열의 극한에 대한 기본 성질에 의해서limm1m2n=1man=limm(m(m+1)2m2+1m02g(x)dx)=limmm(m+1)2m2+limm1m02g(x)dx=12\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{1}{m^{2}}\sum_{n=1}^{m}a_{n}=\lim_{m\to\infty}\left(\frac{m(m+1)}{2m^{2}}+\frac{1}{m}\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)=\lim_{m\to\infty}\frac{m(m+1)}{2m^{2}}+\lim_{m\to\infty}\frac{1}{m}\int_{0}^{2}g(x)\,dx=\frac{1}{2}이다.

+5점 · 자연수의 거듭제곱의 합을 이용하여 n=12026n2=2026×2027×40536\displaystyle \sum_{n=1}^{2026}n^{2}=\frac{2026\times2027\times4053}{6}, n=12026n=2026×20272\displaystyle \sum_{n=1}^{2026}n=\frac{2026\times2027}{2}, n=120261=2026\displaystyle \sum_{n=1}^{2026}1=2026을 유도함.

1-(3) 다음 부등식이 성립함을 증명하시오.a12++a202622025×2026×202712\displaystyle a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}\ge\frac{2025\times2026\times2027}{12}[풀이] 식 ㉡에 의하여a12++a20262=n=12026(n+02g(x)dx)2=n=12026n2+2(02g(x)dx)n=12026n+(02g(x)dx)2n=120261\displaystyle \begin{aligned}a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}&=\sum_{n=1}^{2026}\left(n+\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)^{2}\\&=\sum_{n=1}^{2026}n^{2}+2\left(\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)\cdot\sum_{n=1}^{2026}n+\left(\int_{0}^{2}g(x)\,dx\right)^{2}\cdot\sum_{n=1}^{2026}1\end{aligned} …… ㉢이다. 자연수의 거듭제곱의 합에 의하여 자연수 m\displaystyle m에 대해 n=1mn2=m(m+1)(2m+1)6\displaystyle \sum_{n=1}^{m}n^{2}=\frac{m(m+1)(2m+1)}{6}이므로,n=12026n2=2026×2027×40536,n=12026n=2026×20272,n=120261=2026\displaystyle \sum_{n=1}^{2026}n^{2}=\frac{2026\times2027\times4053}{6},\quad\sum_{n=1}^{2026}n=\frac{2026\times2027}{2},\quad\sum_{n=1}^{2026}1=2026 …… ㉣이다.

+3점 · a12++a20262=2026(t2+2027t+2027×40536)\displaystyle a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}=2026\left(t^{2}+2027t+\frac{2027\times4053}{6}\right) (t=02f(x)cosπx4dx\displaystyle t=\int_{0}^{2}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx)를 유도함.

t=02g(x)dx\displaystyle t=\int_{0}^{2}g(x)\,dx라 하면 ㉢, ㉣에 의하여a12++a20262=2026(t2+2027t+2027×40536)\displaystyle a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}=2026\left(t^{2}+2027t+\frac{2027\times4053}{6}\right) …… ㉤이다.

+4점 · a12++a202622025×2026×202712\displaystyle a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}\ge\frac{2025\times2026\times2027}{12}을 증명함.

한편,2026(t2+2027t+2027×40536)=2026((t+20272)2+2025×202712)2025×2026×202712\displaystyle 2026\left(t^{2}+2027t+\frac{2027\times4053}{6}\right)=2026\left(\left(t+\frac{2027}{2}\right)^{2}+\frac{2025\times2027}{12}\right)\ge\frac{2025\times2026\times2027}{12} …… ㉥이다. ㉤, ㉥에 의하여a12++a202622025×2026×202712\displaystyle a_{1}^{2}+\cdots+a_{2026}^{2}\ge\frac{2025\times2026\times2027}{12}이 성립한다.

1-(4) 문항(3)의 부등식의 등호가 성립할 때 다음 식의 값을 구하시오.a1+a2a12a22+a3+a4a32a42++a2025+a2026a20252a20262\displaystyle \frac{a_{1}+a_{2}}{a_{1}^{2}a_{2}^{2}}+\frac{a_{3}+a_{4}}{a_{3}^{2}a_{4}^{2}}+\cdots+\frac{a_{2025}+a_{2026}}{a_{2025}^{2}a_{2026}^{2}}[풀이] 자연수 n\displaystyle n에 대해서 an+1an=1\displaystyle a_{n+1}-a_{n}=1이므로an+an+1an2an+12=(an+an+1)(an+1an)an2an+12=an+12an2an2an+12=1an21an+12\displaystyle \frac{a_{n}+a_{n+1}}{a_{n}^{2}a_{n+1}^{2}}=\frac{(a_{n}+a_{n+1})(a_{n+1}-a_{n})}{a_{n}^{2}a_{n+1}^{2}}=\frac{a_{n+1}^{2}-a_{n}^{2}}{a_{n}^{2}a_{n+1}^{2}}=\frac{1}{a_{n}^{2}}-\frac{1}{a_{n+1}^{2}}이다. 따라서a1+a2a12a22+a3+a4a32a42++a2025+a2026a20252a20262=1a121a22+1a321a42++1a202521a20262\displaystyle \frac{a_{1}+a_{2}}{a_{1}^{2}a_{2}^{2}}+\frac{a_{3}+a_{4}}{a_{3}^{2}a_{4}^{2}}+\cdots+\frac{a_{2025}+a_{2026}}{a_{2025}^{2}a_{2026}^{2}}=\frac{1}{a_{1}^{2}}-\frac{1}{a_{2}^{2}}+\frac{1}{a_{3}^{2}}-\frac{1}{a_{4}^{2}}+\cdots+\frac{1}{a_{2025}^{2}}-\frac{1}{a_{2026}^{2}}이다.

+3점 · 02f(x)cosπx4dx=20272\displaystyle \int_{0}^{2}f(x)\cos\frac{\pi x}{4}\,dx=-\frac{2027}{2}임을 유도함.

한편, 문항(3)의 부등식에서 등호가 성립하면 ㉤과 ㉥에 의하여 t=02g(x)dx=20272\displaystyle t=\int_{0}^{2}g(x)\,dx=-\frac{2027}{2}이다.

+1점 · an=n20272\displaystyle a_{n}=n-\frac{2027}{2}임을 유도함.

따라서 ㉡에 의하여 등차수열 an\displaystyle a_{n}an=n+02g(x)dx=n20272\displaystyle a_{n}=n+\int_{0}^{2}g(x)\,dx=n-\frac{2027}{2}이고

+4점 · an=a2027n\displaystyle a_{n}=-a_{2027-n}임을 유도함.

1n2026\displaystyle 1\le n\le2026인 자연수 n\displaystyle n에 대해서an+a2027n=(n20272)+(2027n20272)=0\displaystyle a_{n}+a_{2027-n}=\left(n-\frac{2027}{2}\right)+\left(2027-n-\frac{2027}{2}\right)=0이므로 an=a2027n\displaystyle a_{n}=-a_{2027-n}이 성립한다.

+4점 · a1+a2a12a22+a3+a4a32a42++a2025+a2026a20252a20262=0\displaystyle \frac{a_{1}+a_{2}}{a_{1}^{2}a_{2}^{2}}+\frac{a_{3}+a_{4}}{a_{3}^{2}a_{4}^{2}}+\cdots+\frac{a_{2025}+a_{2026}}{a_{2025}^{2}a_{2026}^{2}}=0을 도출함.

따라서a1+a2a12a22+a3+a4a32a42++a2025+a2026a20252a20262=(1a121a20262)+(1a22+1a20252)++(1a101321a10142)=0\displaystyle \begin{aligned}&\frac{a_{1}+a_{2}}{a_{1}^{2}a_{2}^{2}}+\frac{a_{3}+a_{4}}{a_{3}^{2}a_{4}^{2}}+\cdots+\frac{a_{2025}+a_{2026}}{a_{2025}^{2}a_{2026}^{2}}\\&=\left(\frac{1}{a_{1}^{2}}-\frac{1}{a_{2026}^{2}}\right)+\left(-\frac{1}{a_{2}^{2}}+\frac{1}{a_{2025}^{2}}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{a_{1013}^{2}}-\frac{1}{a_{1014}^{2}}\right)=0\end{aligned}이다.

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