수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

[문제 2번] 다음 물음에 답하시오.

1. 아래 그림을 이용하여 0tπ4\displaystyle 0\le t\le\frac\pi4일 때, cost=f(cos2t)\displaystyle \cos t=f(\cos2t)를 만족하는 함수 y=f(x), 0x1,\displaystyle y=f(x),\ 0\le x\le1,를 구하시오. (단, 그림에서 AD=BD\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}=\overline{\mathrm{BD}}이다.)

AD=BD인 직각삼각형 ABC와 각 t, 2t

2. 위 문제에서 구한 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)를 이용해서, 아래와 같이 주어진 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 수렴, 발산 여부를 판정하시오. 발산하면 그 이유를 설명하고 수렴하면 극한값 limnan\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n을 구하시오.a1=2,a2=2+2,a3=2+2+2,a4=2+2+2+2, \displaystyle a_1=\sqrt2,\quad a_2=\sqrt{2+\sqrt2},\quad a_3=\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt2}},\quad a_4=\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt2}}},\ \ldots

3. 수열 {bm}\displaystyle \{b_m\}bm=limnk=1n1n1+coskπ2mn\displaystyle b_m=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1n\sqrt{1+\cos\frac{k\pi}{2^mn}}으로 정의할 때, 제1항 b1\displaystyle b_1의 값과 극한값 limmbm\displaystyle \lim_{m\to\infty}b_m을 구하시오.

해설강의 준비중
+20점 · cost\displaystyle \cos tcos2t\displaystyle \cos2t에 관한 식으로 표현하고 함수의 관계식을 구했는가.

1.아래 그림에서, 임의의 0<t<π4\displaystyle 0<t<\frac\pi4에 대해, cost=1+cos2t2+2cos2t=1+cos2t2\displaystyle \cos t=\frac{1+\cos2t}{\sqrt{2+2\cos2t}}=\sqrt{\frac{1+\cos2t}2}이다.따라서 f(x)=1+x2\displaystyle f(x)=\sqrt{\frac{1+x}2}로 할 수 있다.이때, f(cos0)=1+12=1=cos0, f(cosπ2)=1+02=12=cos(π4)\displaystyle f(\cos0)=\sqrt{\frac{1+1}2}=1=\cos0,\ f\left(\cos\frac\pi2\right)=\sqrt{\frac{1+0}2}=\frac1{\sqrt2}=\cos\left(\frac\pi4\right)이므로, 0tπ4\displaystyle 0\le t\le\frac\pi4일 때, cost=f(cos2t)\displaystyle \cos t=f(\cos2t)가 성립한다.

AD=BD=1인 삼각형의 각 변 길이
+20점 · 주어진 수열의 일반항을 코사인 함수를 포함한 식으로 적절히 변형했는가.

2.a1=2=2cosπ4=2cosπ22,\displaystyle a_1=\sqrt2=2\cos\frac\pi4=2\cos\frac\pi{2^2},a2=2+2=2+a1=21+cosπ42=2f(cosπ4)=2cosπ8=2cosπ23,\displaystyle a_2=\sqrt{2+\sqrt2}=\sqrt{2+a_1}=2\sqrt{\frac{1+\cos\frac\pi4}2}=2f\left(\cos\frac\pi4\right)=2\cos\frac\pi8=2\cos\frac\pi{2^3},a3=2+2+2=2+a2=21+cosπ82=2f(cosπ8)=2cosπ16=2cosπ24,\displaystyle a_3=\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt2}}=\sqrt{2+a_2}=2\sqrt{\frac{1+\cos\frac\pi8}2}=2f\left(\cos\frac\pi8\right)=2\cos\frac\pi{16}=2\cos\frac\pi{2^4},\quad\cdots로부터 an=2f(cosπ2n)=2cosπ2n+1\displaystyle a_n=2f\left(\cos\frac\pi{2^n}\right)=2\cos\frac\pi{2^{n+1}}임을 알 수 있다.

+20점 · 주어진 수열의 극한값을 구했는가.

따라서 극한값은 limnan=limn2cosπ2n+1=21=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}2\cos\frac\pi{2^{n+1}}=2\cdot1=2이다.

+20점 · 주어진 수열의 일반항을 정적분의 정의식을 이용해서 잘 정리하고 수열의 제1항을 구했는가.

3. bm=limnk=1n1n1+cosπk2mn=2πlimnk=1nf(cosπk2mn)πn=2πlimnk=1ncos(πk2m+1n)πn=2πlimnk=1ncos(π2m+1kn)π2m+1n2m+1=2π2m+10π2m+1costdt=2π2m+1sinπ2m+1\displaystyle \begin{aligned}b_m&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1n\sqrt{1+\cos\frac{\pi k}{2^mn}}\\&=\frac{\sqrt2}\pi\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(\cos\frac{\pi k}{2^mn}\right)\frac\pi n=\frac{\sqrt2}\pi\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\cos\left(\frac{\pi k}{2^{m+1}n}\right)\frac\pi n\\&=\frac{\sqrt2}\pi\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\cos\left(\frac{\frac\pi{2^{m+1}}k}n\right)\frac{\frac\pi{2^{m+1}}}n2^{m+1}\\&=\frac{\sqrt2}\pi2^{m+1}\int_0^{\frac\pi{2^{m+1}}}\cos t\,dt=\frac{\sqrt2}\pi2^{m+1}\sin\frac\pi{2^{m+1}}\end{aligned}이다. 따라서 b1\displaystyle b_12π21+1sinπ21+1=4π\displaystyle \frac{\sqrt2}\pi2^{1+1}\sin\frac\pi{2^{1+1}}=\frac4\pi이고

+20점 · 삼각함수의 극한식을 활용해서 주어진 수열의 일반항을 구했는가.

limmbm=limm2π2m+1sinπ2m+1=limm2sinπ2m+1π2m+1=21=2\displaystyle \lim_{m\to\infty}b_m=\lim_{m\to\infty}\frac{\sqrt2}\pi2^{m+1}\sin\frac\pi{2^{m+1}}=\lim_{m\to\infty}\sqrt2\frac{\sin\frac\pi{2^{m+1}}}{\frac\pi{2^{m+1}}}=\sqrt2\cdot1=\sqrt2이다.

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