수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후2) 2번

문제

[문제 2] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 0a<bπ\displaystyle 0\le a<b\le\pi인 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 부등식이 성립함을 보이시오.12(ba)2cosbab(sinbsinx)dx12(ba)2cosa\displaystyle \frac12(b-a)^2\cos b\le\int_a^b(\sin b-\sin x)\,dx\le\frac12(b-a)^2\cos a

2. 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an=(n12)π(n+12)πexcosxdx\displaystyle a_n=\int_{\left(n-\frac12\right)\pi}^{\left(n+\frac12\right)\pi}|e^{-x}\cos x|\,dx일 때,급수 n=1an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n의 합을 구하시오.

3. 자연수 n\displaystyle n에 대하여 bn=k=1n+11k\displaystyle b_n=\sum_{k=1}^{n+1}\frac1k일 때, 극한값 limnk=1nbkk(k+1)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{b_k}{k(k+1)}를 구하시오.

해설강의 준비중
+20점 · 평균값 정리를 이해하고, 부등식 (bx)cosbsinbsinx(bx)cosa\displaystyle (b-x)\cos b\le\sin b-\sin x\le(b-x)\cos a를 구하였는가?

1. 함수 f(x)=sinx\displaystyle f(x)=\sin x는 미분 가능하므로,평균값 정리에 의해 a<x<b\displaystyle a<x<b인 실수 x\displaystyle x에 대하여 sinbsinx=(cosα)(bx)\displaystyle \sin b-\sin x=(\cos\alpha)(b-x)α(x,b)\displaystyle \alpha\in(x,b)가 존재한다.또한, f(x)=cosx\displaystyle f^{\prime}(x)=\cos x는 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 감소하므로, cosacosαcosb\displaystyle \cos a\ge\cos\alpha\ge\cos b가 성립한다.그런데, bx>0\displaystyle b-x>0이므로, (bx)cosa(bx)cosα=sinbsinx(bx)cosb\displaystyle (b-x)\cos a\ge(b-x)\cos\alpha=\sin b-\sin x\ge(b-x)\cos b이다.

+10점 · 적분을 통하여 부등식이 성립함을 보였는가?

각 변을 a\displaystyle a에서 b\displaystyle b까지 적분하면, ab(bx)cosbdxab(sinbsinx)dxab(bx)cosadx\displaystyle \int_a^b(b-x)\cos b\,dx\le\int_a^b(\sin b-\sin x)\,dx\le\int_a^b(b-x)\cos a\,dx이다.그러므로 12(ba)2cosbab(sinbsinx)dx12(ba)2cosa\displaystyle \frac12(b-a)^2\cos b\le\int_a^b(\sin b-\sin x)\,dx\le\frac12(b-a)^2\cos a이다.

+15점 · 부분적분을 이용하여 정적분 (k12)π(k+12)πexcosxdx\displaystyle \int_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}e^{-x}\cos x\,dx를 올바로 구했는가?

2. excosxdx=excosxexsinxdx=excosx[exsinx+excosxdx]\displaystyle \int e^{-x}\cos x\,dx=-e^{-x}\cos x-\int e^{-x}\sin x\,dx=-e^{-x}\cos x-\left[-e^{-x}\sin x+\int e^{-x}\cos x\,dx\right]excosxdx=12ex(sinxcosx).\displaystyle \therefore\int e^{-x}\cos x\,dx=\frac12e^{-x}(\sin x-\cos x).(k12)π(k+12)πexcosxdx=[12ex(sinxcosx)](k12)π(k+12)π=(1)k12(e(k+12)π+e(k12)π)\displaystyle \int_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}e^{-x}\cos x\,dx=\Biggl[\frac12e^{-x}(\sin x-\cos x)\Biggr]_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}=(-1)^k\frac12\left(e^{-\left(k+\frac12\right)\pi}+e^{-\left(k-\frac12\right)\pi}\right)

+15점 · 일반항 an\displaystyle a_n을 구하고 급수 n=1an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n의 합을 구했는가?

an=(k12)π(k+12)πexcosxdx={(k12)π(k+12)πexcosxdx,k=짝수(k12)π(k+12)πexcosxdx,k=홀수=12(e(k+12)π+e(k12)π)=12(e(k12)π+e(k+12)π)\displaystyle \begin{aligned}a_n&=\int_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}|e^{-x}\cos x|\,dx\\&=\begin{cases}\int_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}e^{-x}\cos x\,dx,&k=\text{짝수}\\-\int_{\left(k-\frac12\right)\pi}^{\left(k+\frac12\right)\pi}e^{-x}\cos x\,dx,&k=\text{홀수}\end{cases}\\&=\frac12\left(e^{-\left(k+\frac12\right)\pi}+e^{-\left(k-\frac12\right)\pi}\right)=\frac12\left(e^{-\left(k-\frac12\right)\pi}+e^{-\left(k+\frac12\right)\pi}\right)\end{aligned}따라서 급수의 합은 다음과 같다.n=1an=limnk=1n12(e(k12)π+e(k+12)π)=12limn[e12π+e32π+e32π+e52π++e(n12)π+e(n+12)π]=12limn[e12π+2e32π(1e(n1)π)1eπ+e(n+12)π]=12e12π+e32π1eπ=12e12π+e32π1eπ=e12π21+eπ1eπ\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^\infty a_n&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac12\left(e^{-\left(k-\frac12\right)\pi}+e^{-\left(k+\frac12\right)\pi}\right)\\&=\frac12\lim_{n\to\infty}\left[e^{-\frac12\pi}+e^{-\frac32\pi}+e^{-\frac32\pi}+e^{-\frac52\pi}+\cdots+e^{-\left(n-\frac12\right)\pi}+e^{-\left(n+\frac12\right)\pi}\right]\\&=\frac12\lim_{n\to\infty}\left[e^{-\frac12\pi}+2\frac{e^{-\frac32\pi}(1-e^{-(n-1)\pi})}{1-e^{-\pi}}+e^{-\left(n+\frac12\right)\pi}\right]\\&=\frac12e^{-\frac12\pi}+\frac{e^{-\frac32\pi}}{1-e^{-\pi}}=\frac12\frac{e^{-\frac12\pi}+e^{-\frac32\pi}}{1-e^{-\pi}}=\frac{e^{-\frac12\pi}}2\frac{1+e^{-\pi}}{1-e^{-\pi}}\end{aligned}

+15점 · 부분합 k=1nbkk(k+1)\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac{b_k}{k(k+1)}을 구했는가?

3. b1=32,bkbk1=1k+1\displaystyle b_1=\frac32,\quad b_k-b_{k-1}=\frac1{k+1}이다.k=1nbkk(k+1)=k=1n(bkkbkk+1)=(b1b12)+(b22b23)++(bnnbnn+1)=b1+12(b2b1)+13(b3b2)++1n(bnbn1)bnn+1=32+(1213)+(1314)++(1n1n+1)bnn+1=21n+1bnn+1.\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^n\frac{b_k}{k(k+1)}&=\sum_{k=1}^n\left(\frac{b_k}k-\frac{b_k}{k+1}\right)=\left(b_1-\frac{b_1}2\right)+\left(\frac{b_2}2-\frac{b_2}3\right)+\cdots+\left(\frac{b_n}n-\frac{b_n}{n+1}\right)\\&=b_1+\frac12(b_2-b_1)+\frac13(b_3-b_2)+\cdots+\frac1n(b_n-b_{n-1})-\frac{b_n}{n+1}\\&=\frac32+\left(\frac12-\frac13\right)+\left(\frac13-\frac14\right)+\cdots+\left(\frac1n-\frac1{n+1}\right)-\frac{b_n}{n+1}\\&=2-\frac1{n+1}-\frac{b_n}{n+1}.\end{aligned}

+15점 · 적분을 이용하여 구한 부등식을 통해 극한값 limnbnn+1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{n+1}을 구했는가?

부등식 ln(n+1)=1n+11xdxbn=k=1n+11k1+1n+11xdx=1+ln(n+1)\displaystyle \ln(n+1)=\int_1^{n+1}\frac1x\,dx\le b_n=\sum_{k=1}^{n+1}\frac1k\le1+\int_1^{n+1}\frac1x\,dx=1+\ln(n+1)이 성립하므로,각 변을 n+1\displaystyle n+1로 나누고 극한 limn\displaystyle \lim_{n\to\infty}을 취하면, 0=limnln(n+1)n+1limnbnn+1limn(1n+1+ln(n+1)n+1)=0\displaystyle 0=\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(n+1)}{n+1}\le\lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{n+1}\le\lim_{n\to\infty}\left(\frac1{n+1}+\frac{\ln(n+1)}{n+1}\right)=0이다.

+10점 · 극한값 limnk=1nbkk(k+1)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{b_k}{k(k+1)}을 구했는가?

따라서 limn1n+1=limnbnn+1=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{n+1}=\lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{n+1}=0이므로, limnk=1nbkk(k+1)=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{b_k}{k(k+1)}=2이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.