수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[1-1 풀이]limxn+0f(x)=pn2+kqn\displaystyle \lim_{x\to n+0}f(x)=pn^2+kqnlimxn0f(x)=pn21+k(qn1)\displaystyle \lim_{x\to n-0}f(x)=pn^2-1+k(qn-1)

함수 f(x)\displaystyle f(x)x=n\displaystyle x=n에서 연속이 되려면 limxn0f(x)=f(n)=limxn+0f(x)\displaystyle \lim_{x\to n-0}f(x)=f(n)=\lim_{x\to n+0}f(x)를 만족해야 한다.따라서 pn2+kqn=pn21+k(qn1)\displaystyle pn^2+kqn=pn^2-1+k(qn-1)이고 0=1k\displaystyle 0=-1-k그러므로 k=1\displaystyle k=-1.

[1-2 풀이1]limh+0f(n+h)f(n)h=limh+0(pn2qn)(pn2qn)h=0\displaystyle \lim_{h\to+0}\frac{f(n+h)-f(n)}h=\lim_{h\to+0}\frac{(pn^2-qn)-(pn^2-qn)}h=0limh0f(n+h)f(n)h=limh0((pn21)(qn1))(pn2qn)h=0\displaystyle \lim_{h\to-0}\frac{f(n+h)-f(n)}h=\lim_{h\to-0}\frac{((pn^2-1)-(qn-1))-(pn^2-qn)}h=0

[1-3 풀이]01[nx2]dx=k=0n1knk+1nkdx=k=0n1k(k+1nkn)=1n{(21)+2(32)+3(43)++(n1)(nn1)}=1n{(n1)nn1n221}=n1nk=1nk\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1[nx^2]dx&=\sum_{k=0}^{n-1}\int_{\sqrt{\frac kn}}^{\sqrt{\frac{k+1}n}}k\,dx=\sum_{k=0}^{n-1}k\left(\sqrt{\frac{k+1}n}-\sqrt{\frac kn}\right)\\&=\frac1{\sqrt n}\{(\sqrt2-1)+2(\sqrt3-\sqrt2)+3(\sqrt4-\sqrt3)+\cdots+(n-1)(\sqrt n-\sqrt{n-1})\}\\&=\frac1{\sqrt n}\{(n-1)\sqrt n-\sqrt{n-1}-\sqrt{n-2}-\cdots-\sqrt2-1\}\\&=n-\frac1{\sqrt n}\sum_{k=1}^n\sqrt k\end{aligned}따라서 1n01[nx2]dx=11nk=1nkn\displaystyle \frac1n\int_0^1[nx^2]dx=1-\frac1n\sum_{k=1}^n\sqrt{\frac kn}이고limn1n01[nx2]dx=1limn1nk=1nkn=101tdt=123=13\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac1n\int_0^1[nx^2]dx&=1-\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n\sqrt{\frac kn}\\&=1-\int_0^1\sqrt t\,dt=1-\frac23=\frac13\end{aligned}

[1-4 풀이]제시문 <나>에 의하여 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수 g(x)\displaystyle g(x)가 존재하고f(0)=g(0)=0, f(1)=g(1)=1\displaystyle f(0)=g(0)=0,\ f(1)=g(1)=1따라서01[nf(x)]dx=k=0n1g(kn)g(k+1n)kdx=k=0n1k{g(k+1n)g(kn)}=ng(nn)g(nn)g(n1n)g(n2n)g(2n)g(1n)=nk=1ng(kn)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1[nf(x)]dx&=\sum_{k=0}^{n-1}\int_{g\left(\frac kn\right)}^{g\left(\frac{k+1}n\right)}k\,dx=\sum_{k=0}^{n-1}k\left\{g\left(\frac{k+1}n\right)-g\left(\frac kn\right)\right\}\\&=ng\left(\frac nn\right)-g\left(\frac nn\right)-g\left(\frac{n-1}n\right)-g\left(\frac{n-2}n\right)-\cdots-g\left(\frac2n\right)-g\left(\frac1n\right)\\&=n-\sum_{k=1}^ng\left(\frac kn\right)\end{aligned}

따라서 01[nf(x)]ndx=11nk=1ng(kn)\displaystyle \int_0^1\frac{[nf(x)]}{n}dx=1-\frac1n\sum_{k=1}^ng\left(\frac kn\right)이고limn01[nf(x)]ndx=1limn1nk=1ng(kn)=101g(t)dt=01f(x)dx\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\int_0^1\frac{[nf(x)]}{n}dx&=1-\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^ng\left(\frac kn\right)\\&=1-\int_0^1g(t)dt=\int_0^1f(x)dx\end{aligned}그러므로 limn01([nf(x)]nc)dx=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\int_0^1\left(\frac{[nf(x)]}{n}-c\right)dx=0

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