수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle \left[ a , b \right]에서 연속일 때,

∫abf(x)dx=lim⁡n→∞∑k=1nf(xk)Δx\displaystyle \int_{a}^{b} {f \left( x \right) d x = \lim_{n \to \infty} {\sum_{k = 1}^{n} f \left( x_{k} \right)}} \Delta x (단, Δx=b−an\displaystyle \Delta x = \frac{{b - a}}{n}, xk=a+kΔx\displaystyle x_{k} = a + k \Delta x)

2-1. lim⁡n→∞ln⁡n(n+4)×(n+8)×(n+12)×⋯×(n+4n)n\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\ln \frac{{n}}{\sqrt[n]{( n + 4 ) \times ( n + 8 ) \times ( n + 12 ) \times \cdots \times ( n + 4 n )}}}의 값을 구하시오. [15점]

2-2. f(x)=ln⁡(3+x)(3−x)\displaystyle f ( x ) = \ln \sqrt{( 3 + x ) ( 3 - x )}일 때, x=2\displaystyle x = 2, x=−2\displaystyle x = - 2, x\displaystyle x축 및 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[2-1 풀이]

ln⁡n(n+4)×(n+8)×(n+12)×⋯×(n+4n)n\displaystyle \ln \frac{{n}}{\sqrt[n]{( n + 4 ) \times ( n + 8 ) \times ( n + 12 ) \times \cdots \times ( n + 4 n )}}

=−144ln⁡(n+4)×(n+8)×(n+12)×⋯×(n+4n)nn\displaystyle = - \frac{{1}}{4} 4 \ln \frac{{\sqrt[n]{( n + 4 ) \times ( n + 8 ) \times ( n + 12 ) \times \cdots \times ( n + 4 n )}}}{n}

=−14×4n{ln⁡(1+4n)+ln⁡(1+8n)+ln⁡(1+12n)+⋯+ln⁡(1+4nn)}\displaystyle = - \frac{1}{4} \times {\frac{{4}}{n} \left\{ \ln \left( 1 + \frac{{4}}{n} \right) + \ln \left( 1 + \frac{{8}}{n} \right) + \ln \left( 1 + \frac{{12}}{n} \right) + \cdots + \ln \left( 1 + \frac{{4 n}}{n} \right) \right\}}

=−14×4n∑k=1nln⁡(1+4kn)\displaystyle = - \frac{1}{4} \times {\frac{{4}}{n} \sum_{k = 1}^{n} \ln \left( 1 + \frac{{4 k}}{n} \right)}

따라서

lim⁡n→∞ln⁡{n(n+4)×(n+8)×(n+12)×⋯×(n+4n)n}\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\ln \left\{ \frac{{n}}{\sqrt[n]{( n + 4 ) \times ( n + 8 ) \times ( n + 12 ) \times \cdots \times ( n + 4 n )}} \right\}}

=−14lim⁡n→∞4n∑k=1nln⁡(1+4kn)\displaystyle = - \frac{1}{4} \lim_{n \to \infty} {\frac{{4}}{n} \sum_{k = 1}^{n} \ln \left( 1 + \frac{{4 k}}{n} \right)}

=−14∫04ln⁡(1+x)dx\displaystyle = - \frac{1}{4} \int_{0}^{4} {\ln ( 1 + x ) d x}

=−14∫15ln⁡tdt=−14[tln⁡t]15+14∫151dt=4−5ln⁡54\displaystyle = - \frac{{1}}{4} \int_{1}^{5} {\ln t} d t= - \frac{1}{4} \Biggl[ t \ln t \Biggr]_{1}^{5} + \frac{1}{4} \int_{1}^{5} 1 d t= \frac{{4 - 5 \ln 5}}{4}

[2-2 풀이]

f′(x)=12(13+x−13−x)=−x(3+x)(3−x)\displaystyle f^{\prime} ( x ) = \frac{{1}}{2} \left( \frac{{1}}{3 + x} - \frac{{1}}{3 - x} \right) = - \frac{{x}}{( 3 + x ) ( 3 - x )}이므로

xx−2⋯0⋯2
f′(x)f^{\prime}(x) +0− 
f(x)f(x) ↗극대↘ 

f(−2)>0,f(2)>0\displaystyle f ( - 2 ) > 0 , f ( 2 ) > 0 이고 f(−x)=f(x)\displaystyle f ( - x ) = f ( x )이므로 y\displaystyle y축에 대칭인 그래프이다. 그러므로 구하고자 하는 넓이는

S=2∫02f(x)dx=2∫02ln⁡(3+x)(3−x)dx\displaystyle S= 2 \int_{0}^{2} {f ( x )} d x= 2 \int_{0}^{2} {\ln \sqrt{( 3 + x ) ( 3 - x )}} d x=∫02{ln⁡(3+x)+ln⁡(3−x)}dx=∫02ln⁡(3+x)dx+∫02ln⁡(3−x)dx\displaystyle = \int_{0}^{2} {\left\{ \ln ( 3 + x ) + \ln ( 3 - x ) \right\} d x}= \int_{0}^{2} {\ln ( 3 + x )} d x + \int_{0}^{2} {\ln ( 3 - x )} d x=∫35ln⁡tdt−∫31ln⁡sds=∫35ln⁡tdt+∫13ln⁡sds\displaystyle = \int_{3}^{5} {\ln t} d t - \int_{3}^{1} {\ln s} d s= \int_{3}^{5} {\ln t} d t + \int_{1}^{3} {\ln s} d s=∫15ln⁡tdt\displaystyle = \int_{1}^{5} {\ln t} d t

따라서 문제 1의 결과를 이용하면 S=∫15ln⁡tdt=5ln⁡5−4\displaystyle S = \int_{1}^{5} {\ln t} d t= 5 \ln 5 - 4

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