수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 다음 조건(i) a0=5,a1=20\displaystyle a_0=5,a_1=20(ii) an+1=an+an−12(n≥1)\displaystyle a_{n+1}=\frac{a_n+a_{n-1}}2\quad(n\ge1)을 만족하는 수열 (an)\displaystyle (a_n)에 대하여 극한값 lim⁡n→∞an\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n을 구하시오.

2. 자연수 n\displaystyle n에 대하여 ∑k=0nnCk(−1)k∫−12xk(1−x)n−k dx\displaystyle \sum_{k=0}^n{}_n\mathrm C_k(-1)^k\int_{-1}^2x^k(1-x)^{n-k}\,dx을 구하시오.(단, nCk\displaystyle {}_n\mathrm C_k는 n\displaystyle n개에서 k\displaystyle k개를 동시에 택하는 서로 다른 조합의 모든 가짓수이다.)

3. 중심이 (t,0)\displaystyle (t,0)이고 반지름이 r(t)\displaystyle r(t)인 원이 다음 조건을 만족할 때, ∫024r(t) dt\displaystyle \int_0^{\frac{\sqrt2}4}r(t)\,dt의 값을 구하시오.(i) 타원 x2+2y2=1\displaystyle x^2+2y^2=1과 두 점에서 만난다.(ii) 원의 내부는 타원 x2+2y2=1\displaystyle x^2+2y^2=1의 내부에 놓여있다.

타원 x²+2y²=1의 내부에서 두 점에 접하는 원
해설강의 준비중
+20점 · 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an\displaystyle a_{n} 또는 an−a1\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,\cdotsa2−a1=a0−a12, a3−a2=a1−a22, a4−a3=a2−a32,⋯\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,\cdotsa2−a1=−a1−a02, a3−a2=−a2−a12=a1−a022, a4−a3=−a1−a023,⋯\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 n≥2\displaystyle n\ge2에 대하여an−a1=−a1−a02(1−12+122+⋯+(−1)n−212n−2)=a1−a03((−12)n−1−1)\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 lim⁡n→∞an\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n}을 정확히 구했는가?

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

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

2. (1−2x)n=(1−x−x)n=∑k=0nnCk(−x)k(1−x)n−k\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)k∫−12xk(1−x)n−k dx=∫−12(1−2x)n dx\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(1−2x)n dx\displaystyle \int_{-1}^2(1-2x)^n\,dx을 정확히 구했는가?

위의 적분에서 1−2x=u\displaystyle 1-2x=u로 치환하면, ∫−12(1−2x)n dx=12∫−33un du={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(x−t)2+y2≥r2\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(x−t)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, 12x2−2tx+t2−r2+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+12r2−14=0⇒r(t)=12−t2\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=∫02412−t2 dt=∫0π612−12sin⁡2θ12cos⁡θ dθ=12∫0π6cos⁡2θ dθ=12∫0π612(cos⁡2θ+1) dθ=14[12sin⁡2θ+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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