수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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[2-1 풀이]

f(x)=xn+1xn+2\displaystyle f ( x ) = x^{n + 1} - x^{n + 2}이므로

f(x)=(n+1)xn(n+2)xn+1=xn{n+1(n+2)x}\displaystyle f^{\prime} ( x ) = ( n + 1 ) x^{n} - ( n + 2 ) x^{n + 1} = x^{n} \left\{ n + 1 - ( n + 2 ) x \right\}

(a,f(a))\displaystyle ( a , f ( a ) )에 있어서의 접선의 방정식은 y=f(a)(xa)+f(a)\displaystyle y = f^{\prime} ( a ) ( x - a ) + f ( a )

이것이 원점을 통과하므로

0=f(a)a+f(a)\displaystyle 0 = - f^{\prime} ( a ) a + f ( a )

=an+1{n+1(n+2)a}+an+1(1a)\displaystyle = - a^{n + 1} \left\{ n + 1 - \left( n + 2 \right) a \right\} + a^{n + 1} ( 1 - a )

=an+1{(n+1)an}\displaystyle = a^{n + 1} \left\{ \left( n + 1 \right) a - n \right\}

a>0\displaystyle a > 0이므로 a=nn+1\displaystyle a = \frac{{n}}{n + 1}

[2-2 풀이]

0xnn+1<1\displaystyle 0 \leq x \leq \frac{n}{n + 1} < 1에서 f(x)=xn+1(1x)>0\displaystyle f ( x ) = x^{n + 1} ( 1 - x ) > 0

An=0nn+1f(x)dx=0nn+1(xn+1xn+2)dx\displaystyle A_{n} = \int_{0}^{\frac{{n}}{n + 1}} {f ( x ) d x} = \int_{0}^{\frac{{n}}{n + 1}} {( x^{n + 1} - x^{n + 2} )} d x

=[xn+2n+2xn+3n+3]0nn+1=1n+2(nn+1)n+21n+3(nn+1)n+3\displaystyle = \Biggl[ \frac{{x^{n + 2}}}{n + 2} - \frac{{x^{n + 3}}}{n + 3} \Biggr]_{0}^{\frac{{n}}{n + 1}} = \frac{{1}}{n + 2} \left( \frac{{n}}{n + 1} \right)^{n + 2} - \frac{{1}}{n + 3} \left( \frac{{n}}{n + 1} \right)^{n + 3}

=(nn+1)n+2(1n+2n(n+1)(n+3))=(nn+1)n+22n+3(n+1)(n+2)(n+3)\displaystyle = \left( \frac{{n}}{n + 1} \right)^{n + 2} \left( \frac{{1}}{n + 2} - \frac{{n}}{( n + 1 ) ( n + 3 )} \right)= \left( \frac{{n}}{n + 1} \right)^{n + 2} \frac{{2 n + 3}}{( n + 1 ) ( n + 2 ) ( n + 3 )}

(n+2)(n+3)An=(nn+1)n+22n+3n+1=(11+1n)n+22+3n1+1n=1(1+1n)n2+3n(1+1n)3\displaystyle ( n + 2 ) ( n + 3 ) A_{n} = \left( \frac{{n}}{n + 1} \right)^{n + 2} \frac{{2 n + 3}}{n + 1}= \left( \frac{{1}}{1 + \frac{{1}}{n}} \right)^{n + 2} \frac{{2 + \frac{{3}}{n}}}{1 + \frac{{1}}{n}}= \frac{{1}}{\left( 1 + \frac{{1}}{n} \right)^{n}} \bullet \frac{{2 + \frac{{3}}{n}}}{\left( 1 + \frac{{1}}{n} \right)^{3}}

limn(n+2)(n+3)An=limn1(1+1n)n2+3n(1+1n)3=2e\displaystyle \lim_{n \to \infty} {( n + 2 ) ( n + 3 ) A_{n}} = \lim_{n\to\infty} {\frac{{1}}{\left( 1 + \frac{{1}}{n} \right)^{n}} \bullet \frac{{2 + \frac{{3}}{n}}}{\left( 1 + \frac{{1}}{n} \right)^{3}}} = \frac{2}{e}

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