수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+20점 · 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an\displaystyle a_{n} 또는 ana1\displaystyle a_{n} - a_{1}을 정확히 구했는가?

1. a2=a0+a12, a3=a1+a22, a4=a2+a32,\displaystyle a_2=\frac{a_0+a_1}2,\ a_3=\frac{a_1+a_2}2,\ a_4=\frac{a_2+a_3}2,\cdotsa2a1=a0a12, a3a2=a1a22, a4a3=a2a32,\displaystyle a_2-a_1=\frac{a_0-a_1}2,\ a_3-a_2=\frac{a_1-a_2}2,\ a_4-a_3=\frac{a_2-a_3}2,\cdotsa2a1=a1a02, a3a2=a2a12=a1a022, a4a3=a1a023,\displaystyle a_2-a_1=-\frac{a_1-a_0}2,\ a_3-a_2=-\frac{a_2-a_1}2=\frac{a_1-a_0}{2^2},\ a_4-a_3=-\frac{a_1-a_0}{2^3},\cdots자연수 n2\displaystyle n\ge2에 대하여ana1=a1a02(112+122++(1)n212n2)=a1a03((12)n11)\displaystyle a_n-a_1=-\frac{a_1-a_0}2\left(1-\frac12+\frac1{2^2}+\cdots+(-1)^{n-2}\frac1{2^{n-2}}\right)=\frac{a_1-a_0}3\left(\left(-\frac12\right)^{n-1}-1\right)

+10점 · 극한값 limnan\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n}을 정확히 구했는가?

an=2a1+a03+(1)n1a1a032n1\displaystyle a_n=\frac{2a_1+a_0}3+(-1)^{n-1}\frac{a_1-a_0}{3\cdot2^{n-1}}이므로, limnan=2a1+a03=40+53=15\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\frac{2a_1+a_0}3=\frac{40+5}3=15이다.

+10점 · (12x)n=k=0nnCk(x)k(1x)nk\displaystyle (1-2x)^n=\sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k(-x)^k(1-x)^{n-k}임을 보였는가?

2. (12x)n=(1xx)n=k=0nnCk(x)k(1x)nk\displaystyle (1-2x)^n=(1-x-x)^n=\sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k(-x)^k(1-x)^{n-k}이므로,k=0nnCk(1)k12xk(1x)nkdx=12(12x)ndx\displaystyle \sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k(-1)^k\int_{-1}^2x^k(1-x)^{n-k}\,dx=\int_{-1}^2(1-2x)^n\,dx이다.

+20점 · 적분값 12(12x)ndx\displaystyle \int_{-1}^2(1-2x)^n\,dx을 정확히 구했는가?

위의 적분에서 12x=u\displaystyle 1-2x=u로 치환하면, 12(12x)ndx=1233undu={0,n=홀수3n+1n+1,n=짝수\displaystyle \int_{-1}^2(1-2x)^n\,dx=\frac12\int_{-3}^3u^n\,du=\begin{cases}0,&n=\text{홀수}\\\frac{3^{n+1}}{n+1},&n=\text{짝수}\end{cases}이다.

+15점 · r(t)\displaystyle r ( t )의 식을 정확히 구했는가?

3. 주어진 두 조건을 만족하려면 타원위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)로부터 (t,0)\displaystyle (t,0)까지의 거리가 r\displaystyle r보다는 크거나 같아야 한다.즉, {x2+2y2=1(xt)2+y2r2\displaystyle \begin{cases}x^2+2y^2=1\\(x-t)^2+y^2\ge r^2\end{cases}이 성립한다. 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 원과 타원의 교점이라면, {x2+2y2=1(xt)2+y2=r2\displaystyle \begin{cases}x^2+2y^2=1\\(x-t)^2+y^2=r^2\end{cases}이 성립한다.연립하여 x\displaystyle x에 관한 식으로 정리하면, 12x22tx+t2r2+12=0\displaystyle \frac12x^2-2tx+t^2-r^2+\frac12=0 ───── ① 이다.문제의 조건을 만족하려면, 연립방정식의 근이 중근으로 나타나야 한다.따라서 식 ①에서 x\displaystyle x에 관한 판별식이 0이므로, 계산하면,D/4=12t2+12r214=0r(t)=12t2\displaystyle D/4=\frac12t^2+\frac12r^2-\frac14=0\quad\Rightarrow\quad r(t)=\sqrt{\frac12-t^2}

+25점 · 적분값 024r(t)dt\displaystyle \int_{0}^{\frac{\sqrt{2}}{4}} r ( t ) d t을 정확히 구했는가?

구하고자 하는 적분값을 계산하면 다음과 같다.024r(t)dt=02412t2dt=0π61212sin2θ12cosθdθ=120π6cos2θdθ=120π612(cos2θ+1)dθ=14[12sin2θ+θ]0π6=14(34+π6)=316+π24\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\frac{\sqrt2}4}r(t)\,dt&=\int_0^{\frac{\sqrt2}4}\sqrt{\frac12-t^2}\,dt=\int_0^{\frac\pi6}\sqrt{\frac12-\frac12\sin^2\theta}\frac1{\sqrt2}\cos\theta\,d\theta=\frac12\int_0^{\frac\pi6}\cos^2\theta\,d\theta\\&=\frac12\int_0^{\frac\pi6}\frac12(\cos2\theta+1)\,d\theta=\frac14\Biggl[\frac12\sin2\theta+\theta\Biggr]_0^{\frac\pi6}=\frac14\left(\frac{\sqrt3}4+\frac\pi6\right)=\frac{\sqrt3}{16}+\frac\pi{24}\end{aligned}

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