수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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1-1. [풀이]f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0이므로 f(x)\displaystyle f(x)가 증가함수이다.f(π2)f(0)=0π2f(x)dx=0π2kcosxdx=[ksinx]0π2=k\displaystyle f\left(\frac\pi2\right)-f(0)=\int_0^{\frac\pi2}f^{\prime}(x)dx=\int_0^{\frac\pi2}k\cos x\,dx=\Biggl[k\sin x\Biggr]_0^{\frac\pi2}=kf(π)f(π2)=π2πf(x)dx=π2πlcosxdx=[lsinx]π2π=l\displaystyle f(\pi)-f\left(\frac\pi2\right)=\int_{\frac\pi2}^{\pi}f^{\prime}(x)dx=\int_{\frac\pi2}^{\pi}-l\cos x\,dx=\Biggl[-l\sin x\Biggr]_{\frac\pi2}^{\pi}=lf(3π2)f(π)=π3π2f(x)dx=π3π2mcosxdx=[msinx]π3π2=m\displaystyle f\left(\frac{3\pi}2\right)-f(\pi)=\int_{\pi}^{\frac{3\pi}2}f^{\prime}(x)dx=\int_{\pi}^{\frac{3\pi}2}-m\cos x\,dx=\Biggl[-m\sin x\Biggr]_{\pi}^{\frac{3\pi}2}=mf(2π)f(3π2)=3π22πf(x)dx=3π22πncosxdx=[nsinx]3π22π=n\displaystyle f(2\pi)-f\left(\frac{3\pi}2\right)=\int_{\frac{3\pi}2}^{2\pi}f^{\prime}(x)dx=\int_{\frac{3\pi}2}^{2\pi}n\cos x\,dx=\Biggl[n\sin x\Biggr]_{\frac{3\pi}2}^{2\pi}=n이고f(x)\displaystyle f(x)[0,2π]\displaystyle [0,2\pi]에서 연속함수이므로 8=f(2π)f(0)=k+l+m+n\displaystyle 8=f(2\pi)-f(0)=k+l+m+n을 얻는다.따라서, 구하는 순서쌍의 개수는 중복조합의 수이므로 4H8=11C8=11×10×91×2×3=165\displaystyle {}_4\mathrm{H}_8={}_{11}\mathrm{C}_8=\frac{11\times10\times9}{1\times2\times3}=165이다.

1-2. [풀이]문제 1-1의 풀이에 의해 구하는 개수는 klm=n\displaystyle k\le l\le m=nk+l+m+n=8\displaystyle k+l+m+n=8을 만족하는 음이 아닌 정수해의 개수와 같다. 이의 개수를 구해보자.(i) m=n=4\displaystyle m=n=4일 때, (k,l,m,n)=(0,0,4,4)\displaystyle (k,l,m,n)=(0,0,4,4)인 한 개의 해가 존재한다.(ii) m=n=3\displaystyle m=n=3일 때, 이는 kl\displaystyle k\le l이고 k+l=2\displaystyle k+l=2인 해를 구하는 경우이므로 (k,l,m,n)\displaystyle (k,l,m,n)(0,2,3,3)\displaystyle (0,2,3,3) 혹은 (1,1,3,3)\displaystyle (1,1,3,3)인 두 개의 해가 존재한다.(iii) m=n=2\displaystyle m=n=2일 때, 이는 kl2\displaystyle k\le l\le2이고 k+l=4\displaystyle k+l=4인 해를 구하는 경우이므로 (k,l,m,n)=(2,2,2,2)\displaystyle (k,l,m,n)=(2,2,2,2)인 한 개의 해가 존재한다.m=n1\displaystyle m=n\le1인 경우 k+l+m+n4\displaystyle k+l+m+n\le4이고 m=n5\displaystyle m=n\ge5인 경우 k+l+m+n10\displaystyle k+l+m+n\ge10이므로 해가 존재하지 않는다. 따라서 구하는 순서쌍의 개수는 4이다.

1-3. [풀이]cosx=t\displaystyle -\cos x=t로 치환하면 sinxdx=dt\displaystyle \sin x\,dx=dt이므로 0π2sin3xdx=10(1t2)dt=[tt33]10=23\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}\sin^3x\,dx=\int_{-1}^0(1-t^2)dt=\Biggl[t-\frac{t^3}3\Biggr]_{-1}^0=\frac23이고 sinx=u\displaystyle \sin x=u로 치환하면 cosxdx=du\displaystyle \cos x\,dx=du이므로 0π2cos3xdx=01(1u2)du=[uu33]01=23\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}\cos^3x\,dx=\int_0^1(1-u^2)du=\Biggl[u-\frac{u^3}3\Biggr]_0^1=\frac23이다. 그리고0π2sinxdx=0π2cosxdx=1\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}\sin x\,dx=\int_0^{\frac\pi2}\cos x\,dx=1이므로 0π2(2asinx+2bcosx+3csin3x+3dcos3x)dx=20\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(2a\sin x+2b\cos x+3c\sin^3x+3d\cos^3x)dx=20a+b+c+d=10\displaystyle a+b+c+d=10과 동치이다. 따라서 구하는 수는 a<b<c<d\displaystyle a<b<c<da+b+c+d=10\displaystyle a+b+c+d=10을 만족하는 음이 아닌 정수해의 개수와 같다. a=a\displaystyle a^{\prime}=a, b=b1\displaystyle b^{\prime}=b-1, c=c2\displaystyle c^{\prime}=c-2, d=d3\displaystyle d^{\prime}=d-3이라면 조건 abcd\displaystyle a^{\prime}\le b^{\prime}\le c^{\prime}\le d^{\prime}a+b+c+d=4\displaystyle a^{\prime}+b^{\prime}+c^{\prime}+d^{\prime}=4를 얻는데 이는 위의 조건과 동치이다. (i) d=4\displaystyle d^{\prime}=4이면 (a,b,c)=(0,0,0)\displaystyle (a^{\prime},b^{\prime},c^{\prime})=(0,0,0)를 얻고, (ii) d=3\displaystyle d^{\prime}=3이면 c=1\displaystyle c^{\prime}=1(a,b,c)=(0,0,1)\displaystyle (a^{\prime},b^{\prime},c^{\prime})=(0,0,1), (iii) d=2\displaystyle d^{\prime}=2이면 (a,b,c)=(0,0,2)\displaystyle (a^{\prime},b^{\prime},c^{\prime})=(0,0,2) 혹은 (a,b,c)=(0,1,1)\displaystyle (a^{\prime},b^{\prime},c^{\prime})=(0,1,1)을 얻고, (iv) d=1\displaystyle d^{\prime}=1이면 (a,b,c)=(1,1,1)\displaystyle (a^{\prime},b^{\prime},c^{\prime})=(1,1,1)을 얻는다. 따라서 구하는 순서쌍의 개수는 5이다.

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