수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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[2-1 풀이]

[풀이] 제시문 <가>를 이용하여 1xf(t)dt=xlnxx+1\displaystyle \int_{1}^{x} {f \left( t \right) d t} = x \ln x - x + 1의 양변을 미분하면 f(x)=lnx\displaystyle f \left( x \right) = \ln x가 된다.

제시문 <나>를 이용하여 ef(x)\displaystyle e^{f ( x )}elnx=x\displaystyle e^{\ln x} = x가 된다. 따라서 12f(x)ef(x)dx=12lnxxdx\displaystyle \int_{1}^{2} {\frac{{f ( x )}}{e^{f ( x )}} d x} = \int_{1}^{2} {\frac{{\ln x}}{x} d x}가 된다.

여기서 lnx=t\displaystyle \ln x = t로 치환을 하면 dxx=dt\displaystyle \frac{{d x}}{x} = d t이며, 적분구간은 x=1\displaystyle x = 1일 때 t=0\displaystyle t = 0, x=2\displaystyle x = 2일 때 t=ln2\displaystyle t = \ln 2 이다.

그러므로 12lnxxdx=0ln2tdt\displaystyle \int_{1}^{2} {\frac{{\ln x}}{x} d x} = \int_{0}^{\ln 2} {t d t}가 된다. 따라서, 답은 12(ln2)2\displaystyle \frac{{1}}{2} ( \ln 2 )^{2}이다.

[2-2 풀이]

[풀이] 제시문 <다>를 이용하면, limn1n2[ln(1+1n)+2ln(1+2n)+3ln(1+3n)++nln(1+nn)]\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\frac{{1}}{n^{2}} \left[ \ln ( 1 + \frac{{1}}{n} ) + 2 \ln ( 1 + \frac{{2}}{n} ) + 3 \ln ( 1 + \frac{{3}}{n} ) + \cdots + n \ln ( 1 + \frac{{n}}{n} ) \right]}

limn1n2k=1nkln(1+kn)=limn1nk=1nknln(1+kn)=01xln(1+x)dx\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\frac{{1}}{n^{2}} \sum_{k = 1}^{n} k \ln ( 1 + \frac{{k}}{n} )} = \lim_{n \to \infty} {\frac{{1}}{n} \sum_{k = 1}^{n} \frac{{k}}{n} \ln ( 1 + \frac{{k}}{n} )} = \int_{0}^{1} {x \ln ( 1 + x ) d x}가 된다.

여기서 부분적분을 이용하면 01xln(1+x)dx=[12x2ln(1+x)]011201x211+xdx\displaystyle \int_{0}^{1} {x \ln ( 1 + x ) d x} = \Biggl[ \frac{{1}}{2} x^{2} \ln ( 1 + x ) \Biggr]_{0}^{1} - \frac{{1}}{2} \int_{0}^{1} {x^{2} \frac{{1}}{1 + x} d x}가 되고

1201x21+xdx=1201(x1)dx+120111+xdx\displaystyle \frac{{1}}{2} \int_{0}^{1} {\frac{{x^{2}}}{1 + x} d x} = \frac{{1}}{2} \int_{0}^{1} {( x - 1 ) d x} + \frac{{1}}{2} \int_{0}^{1} {\frac{{1}}{1 + x} d x}이므로 1201x21+xdx=12[12x2x]01+12[ln(1+x)]01\displaystyle \frac{{1}}{2} \int_{0}^{1} {\frac{{x^{2}}}{1 + x} d x} = \frac{{1}}{2} \Biggl[ \frac{{1}}{2} x^{2} - x \Biggr]_{0}^{1} + \frac{{1}}{2} \Biggl[ \ln ( 1 + x ) \Biggr]_{0}^{1}가 된다.

그러므로 01xln(1+x)dx=[12x2ln(1+x)]0112[12x2x]0112[ln(1+x)]01\displaystyle \int_{0}^{1} {x \ln ( 1 + x ) d x} = \Biggl[ \frac{{1}}{2} x^{2} \ln ( 1 + x ) \Biggr]_{0}^{1} - \frac{{1}}{2} \Biggl[ \frac{{1}}{2} x^{2} - x \Biggr]_{0}^{1} - \frac{{1}}{2} \Biggl[ \ln ( 1 + x ) \Biggr]_{0}^{1} 가 된다. 따라서, 답은 14\displaystyle \frac{{1}}{4}이다.

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