수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 삼각함수의 성질과 치환적분을 이용하여 정적분의 값을 옳게 구하였는가?

1-1

제시문 <나>에서 tanx=t\displaystyle \tan x=t로 놓으면 dtdx=sec2x\displaystyle \frac{dt}{dx}=\sec^2x이고, x=0\displaystyle x=0일 때 t=0\displaystyle t=0, x=π4\displaystyle x=\frac\pi4일 때 t=1\displaystyle t=1이므로

0π4tanxsec2xdx=01tdt=[12t2]01=12\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\tan x\sec^2x\,dx=\int_0^1t\,dt=\Biggl[\frac12t^2\Biggr]_0^1=\frac12

+15점 · 상황에 맞는 삼각함수의 성질을 정적분에 적용하여 정확히 답을 구했는가? 주어진 식을 적절히 변형하여 삼각함수의 관계식을 구하여 치환적분하여 첫째항과 둘째항을 옳게 구하였는가?

1-2

a1=0π4tanxdx0π4tan2xdx+0π4tan3xdx0π4tan4xdx=0π4tanx(1+tan2x)dx0π4tan2x(1+tan2x)dx=0π4tanxsec2xdx0π4tan2xsec2xdx\displaystyle \begin{aligned}a_1&=\int_0^{\frac\pi4}\tan x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x\,dx+\int_0^{\frac\pi4}\tan^3x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^4x\,dx\\&=\int_0^{\frac\pi4}\tan x(1+\tan^2x)\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x(1+\tan^2x)\,dx\\&=\int_0^{\frac\pi4}\tan x\sec^2x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x\sec^2x\,dx\end{aligned}

문항 1-1과 같이 tanx=t\displaystyle \tan x=t로 치환하여 계산하면

a1=1213\displaystyle a_1=\frac12-\frac13

a2=0π4tan2xdx0π4tan3xdx+0π4tan4xdx0π4tan5xdx=0π4tan2x(1+tan2x)dx0π4tan3x(1+tan2x)dx=0π4tan2xsec2xdx0π4tan3xsec2xdx\displaystyle \begin{aligned}a_2&=\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^3x\,dx+\int_0^{\frac\pi4}\tan^4x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^5x\,dx\\&=\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x(1+\tan^2x)\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^3x(1+\tan^2x)\,dx\\&=\int_0^{\frac\pi4}\tan^2x\sec^2x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^3x\sec^2x\,dx\end{aligned}

문항 1-1과 같이 tanx=t\displaystyle \tan x=t로 치환하여 계산하면

a2=1314\displaystyle a_2=\frac13-\frac14이므로 a1+a2=(1213)+(1314)=14\displaystyle a_1+a_2=\left(\frac12-\frac13\right)+\left(\frac13-\frac14\right)=\frac14이다.

+15점 · 주어진 식을 적절히 변형하고 삼각함수의 관계식으로 치환적분하여 급수의 부분합을 구하고 급수의 합을 이해하여 규칙성을 찾고 그 극한값을 옳게 구하였는가?

1-3

주어진 급수의 제n\displaystyle n항까지의 부분합은 k=1nak=I1+I3In+1In+3\displaystyle \sum_{k=1}^na_k=I_1+I_3-I_{n+1}-I_{n+3}이다. 따라서

n=1an=limn(0π4tanxsec2xdx0π4tann+1xsec2xdx)=limn(121n+2)=12\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^\infty a_n&=\lim_{n\to\infty}\left(\int_0^{\frac\pi4}\tan x\sec^2x\,dx-\int_0^{\frac\pi4}\tan^{n+1}x\sec^2x\,dx\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\left(\frac12-\frac1{n+2}\right)\\&=\frac12\end{aligned}

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