+20점 · 계산과정을 명확히 설명하였는가? 1. 직선 l \displaystyle l l 에 접하는 두 원의 반지름이 a , b \displaystyle a,b a , b 라고 할 때, 이 두 원에 접하고 l \displaystyle l l 에 접하는 원의 반지름 r \displaystyle r r 을 구하면 ( a + b ) 2 = ( a − b ) 2 + d 2 \displaystyle (a+b)^2=(a-b)^2+d^2 ( a + b ) 2 = ( a − b ) 2 + d 2 이므로 d = 2 a b \displaystyle d=2\sqrt{ab} d = 2 ab 이고, d = ( a + b ) 2 − ( a − r ) 2 + ( b + r ) 2 − ( b − r ) 2 = 2 a b \displaystyle d=\sqrt{(a+b)^2-(a-r)^2}+\sqrt{(b+r)^2-(b-r)^2}=2\sqrt{ab} d = ( a + b ) 2 − ( a − r ) 2 + ( b + r ) 2 − ( b − r ) 2 = 2 ab Correction. 첫 번째 제곱근의 ( a + b ) 2 \displaystyle (a+b)^2 ( a + b ) 2 는 ( a + r ) 2 \displaystyle (a+r)^2 ( a + r ) 2 의 오기이다. 외접하는 두 원의 반지름이 a \displaystyle a a , r \displaystyle r r 이므로 중심 사이의 거리는 a + r \displaystyle a+r a + r 이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.에서 r = 1 1 a + 1 b \displaystyle \sqrt r=\frac1{\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}} r = a 1 + b 1 1 … (★)
이제 원 C , D \displaystyle C,\ D C , D 에서 시작하여 C 1 , C 2 , . . . \displaystyle C_1,C_2,... C 1 , C 2 , ... 의 각각의 반지름 r 1 , r 2 , . . . \displaystyle r_1,r_2,... r 1 , r 2 , ... 를 생각할 때 c n = 1 r n \displaystyle c_n=\frac1{\sqrt{r_n}} c n = r n 1 으로 정의하고 (★)를 이용하여 c n \displaystyle c_n c n 을 계산하자. 원 C n \displaystyle C_n C n 이 직선 l \displaystyle l l 과 원 C k , C m \displaystyle C_k,\ C_m C k , C m 에 접하므로 1 r n = 1 r k + 1 r m = c n = c k + c m \displaystyle \frac1{\sqrt{r_n}}=\frac1{\sqrt{r_k}}+\frac1{\sqrt{r_m}}=c_n=c_k+c_m r n 1 = r k 1 + r m 1 = c n = c k + c m A \displaystyle A A 의 영역 중 가장 큰 원부터 채워 넣어야 하므로 c n \displaystyle c_n c n 이 작은 순서대로 위 계산을 반복해 주면 된다. 다음은 위에서 설명한 과정을 그림으로 나타낸 것이다.
+10점 · 수열의 12번째 값을 정확히 얻었는가? 따라서 c 12 = c 13 = c 14 = c 15 = 7 \displaystyle c_{12}=c_{13}=c_{14}=c_{15}=7 c 12 = c 13 = c 14 = c 15 = 7 이므로, r 12 = ( 1 7 ) 2 = 1 49 \displaystyle r_{12}=\left(\frac17\right)^2=\frac1{49} r 12 = ( 7 1 ) 2 = 49 1 이다
+15점 · 적분값 a n \displaystyle a_n a n 을 함수 f \displaystyle f f 와 자연수 n \displaystyle n n 에 대한 형태로 나타내었는가? 2. 제시문 <나>에 의하여 구간 ( 0 , ∞ ) \displaystyle (0,\infty) ( 0 , ∞ ) 에서 f ′ ( x ) < 0 \displaystyle f^{\prime}(x)<0 f ′ ( x ) < 0 이므로 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 감소한다. 따라서 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 일대일 함수이다. u = f ( x ) \displaystyle u=f(x) u = f ( x ) 로 치환하면 a n = ∫ 1 n 2021 n f ( x ) d x = ∫ f ( 1 n ) f ( 2021 n ) u d u f ′ ( x ) = − ∫ f ( 1 n ) f ( 2021 n ) u d u f ( x ) 2 − f ( x ) = − ∫ f ( 1 n ) f ( 2021 n ) d u 2 − u = 2 [ 2 − u ] f ( 1 n ) f ( 2021 n ) = 2 ( 2 − f ( 2021 n ) − 2 − f ( 1 n ) ) \displaystyle \begin{aligned}a_n&=\int_{\frac1n}^{2021n}f(x)\,dx=\int_{f\left(\frac1n\right)}^{f(2021n)}u\frac{du}{f^{\prime}(x)}\\&=-\int_{f\left(\frac1n\right)}^{f(2021n)}u\frac{du}{f(x)\sqrt{2-f(x)}}\\&=-\int_{f\left(\frac1n\right)}^{f(2021n)}\frac{du}{\sqrt{2-u}}=2\Biggl[\sqrt{2-u}\Biggr]_{f\left(\frac1n\right)}^{f(2021n)}\\&=2\left(\sqrt{2-f(2021n)}-\sqrt{2-f\left(\frac1n\right)}\right)\end{aligned} a n = ∫ n 1 2021 n f ( x ) d x = ∫ f ( n 1 ) f ( 2021 n ) u f ′ ( x ) d u = − ∫ f ( n 1 ) f ( 2021 n ) u f ( x ) 2 − f ( x ) d u = − ∫ f ( n 1 ) f ( 2021 n ) 2 − u d u = 2 [ 2 − u ] f ( n 1 ) f ( 2021 n ) = 2 ( 2 − f ( 2021 n ) − 2 − f ( n 1 ) )
+15점 · 수열 { a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 의 극한값을 계산하였는가? 가정에 의하여 lim n → ∞ 2 − f ( 1 n ) = 2 − lim t → 0 + f ( t ) = 0 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt{2-f\left(\frac1n\right)}=\sqrt{2-\lim_{t\to0+}f(t)}=0 n → ∞ lim 2 − f ( n 1 ) = 2 − t → 0 + lim f ( t ) = 0 이고, 구간 ( 0 , ∞ ) \displaystyle (0,\infty) ( 0 , ∞ ) 에서 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 0 < f ( x ) < 2 \displaystyle 0<f(x)<2 0 < f ( x ) < 2 이고 감소하므로 함수 2 − f ( x ) \displaystyle \sqrt{2-f(x)} 2 − f ( x ) 는 0 < 2 − f ( x ) < 2 \displaystyle 0<\sqrt{2-f(x)}<\sqrt2 0 < 2 − f ( x ) < 2 이고 증가한다. 자연수 n \displaystyle n n 에 대하여 c n = ∫ 1 n 2 − f ( x ) d x \displaystyle c_n=\int_1^n\sqrt{2-f(x)}\,dx c n = ∫ 1 n 2 − f ( x ) d x 라 하면, c n ≥ ∫ 1 n 2 − f ( 1 ) d x = 2 − f ( 1 ) ( n − 1 ) \displaystyle c_n\ge\int_1^n\sqrt{2-f(1)}\,dx=\sqrt{2-f(1)}(n-1) c n ≥ ∫ 1 n 2 − f ( 1 ) d x = 2 − f ( 1 ) ( n − 1 ) .한편 c n = − ∫ 1 n f ′ ( x ) f ( x ) d x = − [ ln f ( x ) ] 1 n = − ( ln f ( n ) − ln f ( 1 ) ) , \displaystyle c_n=-\int_1^n\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}\,dx=-\Biggl[\ln f(x)\Biggr]_1^n=-(\ln f(n)-\ln f(1)), c n = − ∫ 1 n f ( x ) f ′ ( x ) d x = − [ ln f ( x ) ] 1 n = − ( ln f ( n ) − ln f ( 1 )) , 즉 ln f ( n ) − ln f ( 1 ) ≤ − 2 − f ( 1 ) ( n − 1 ) \displaystyle \ln f(n)-\ln f(1)\le-\sqrt{2-f(1)}(n-1) ln f ( n ) − ln f ( 1 ) ≤ − 2 − f ( 1 ) ( n − 1 ) 따라서 lim n → ∞ ln f ( n ) = − ∞ \displaystyle \lim_{n\to\infty}\ln f(n)=-\infty n → ∞ lim ln f ( n ) = − ∞ 또는 lim n → ∞ f ( 2021 n ) = lim n → ∞ f ( n ) = 0 \displaystyle \lim_{n\to\infty}f(2021n)=\lim_{n\to\infty}f(n)=0 n → ∞ lim f ( 2021 n ) = n → ∞ lim f ( n ) = 0 .그러므로 lim n → ∞ a n = 2 lim n → ∞ 2 − f ( 2021 n ) = 2 2 \displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=2\lim_{n\to\infty}\sqrt{2-f(2021n)}=2\sqrt2 n → ∞ lim a n = 2 n → ∞ lim 2 − f ( 2021 n ) = 2 2
+30점 · 적분값 b n \displaystyle b_n b n 을 n \displaystyle n n 에 대한 적절한 식으로 나타내었는가? 3. <해 1> 이항정리에 의하여 b n = ∫ 0 1 e − ( n + 2 ) x ∑ k = 0 n n C k e ( n − k ) x d x = ∑ k = 0 n n C k ∫ 0 1 e − ( k + 2 ) x d x ( t = e − x 으로 치환 ) = ∑ k = 0 n n C k ∫ e − 1 1 t k + 1 d t = ∫ e − 1 1 t ( t + 1 ) n d t \displaystyle \begin{aligned}b_n&=\int_0^1e^{-(n+2)x}\sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm C_k e^{(n-k)x}\,dx\\&=\sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm C_k\int_0^1e^{-(k+2)x}\,dx\quad(t=e^{-x}\text{으로 치환})\\&=\sum_{k=0}^n{}_{n}\mathrm C_k\int_{e^{-1}}^1t^{k+1}\,dt=\int_{e^{-1}}^1t(t+1)^n\,dt\end{aligned} b n = ∫ 0 1 e − ( n + 2 ) x k = 0 ∑ n n C k e ( n − k ) x d x = k = 0 ∑ n n C k ∫ 0 1 e − ( k + 2 ) x d x ( t = e − x 으로 치환 ) = k = 0 ∑ n n C k ∫ e − 1 1 t k + 1 d t = ∫ e − 1 1 t ( t + 1 ) n d t 한편, 부분적분법에 의하여 ∫ e − 1 1 t ( t + 1 ) n d t = [ t ( t + 1 ) n + 1 n + 1 ] e − 1 1 − 1 n + 1 ∫ e − 1 1 ( t + 1 ) n + 1 d t = 2 n + 1 − e − 1 ( 1 + e − 1 ) n + 1 n + 1 − 2 n + 2 − ( 1 + e − 1 ) n + 2 ( n + 1 ) ( n + 2 ) \displaystyle \begin{aligned}\int_{e^{-1}}^1t(t+1)^n\,dt&=\Biggl[\frac{t(t+1)^{n+1}}{n+1}\Biggr]_{e^{-1}}^1-\frac1{n+1}\int_{e^{-1}}^1(t+1)^{n+1}\,dt\\&=\frac{2^{n+1}-e^{-1}(1+e^{-1})^{n+1}}{n+1}-\frac{2^{n+2}-(1+e^{-1})^{n+2}}{(n+1)(n+2)}\end{aligned} ∫ e − 1 1 t ( t + 1 ) n d t = [ n + 1 t ( t + 1 ) n + 1 ] e − 1 1 − n + 1 1 ∫ e − 1 1 ( t + 1 ) n + 1 d t = n + 1 2 n + 1 − e − 1 ( 1 + e − 1 ) n + 1 − ( n + 1 ) ( n + 2 ) 2 n + 2 − ( 1 + e − 1 ) n + 2 따라서 n 2 n b n = 2 n n + 1 − e − 1 ( 1 + e − 1 ) n n + 1 ( 1 + e − 1 2 ) n − 4 n ( n + 1 ) ( n + 2 ) + ( 1 + e − 1 ) 2 n ( n + 1 ) ( n + 2 ) ( 1 + e − 1 2 ) n \displaystyle \begin{aligned}\frac n{2^n}b_n&=\frac{2n}{n+1}-\frac{e^{-1}(1+e^{-1})n}{n+1}\left(\frac{1+e^{-1}}2\right)^n\\&\quad-\frac{4n}{(n+1)(n+2)}+\frac{(1+e^{-1})^2n}{(n+1)(n+2)}\left(\frac{1+e^{-1}}2\right)^n\end{aligned} 2 n n b n = n + 1 2 n − n + 1 e − 1 ( 1 + e − 1 ) n ( 2 1 + e − 1 ) n − ( n + 1 ) ( n + 2 ) 4 n + ( n + 1 ) ( n + 2 ) ( 1 + e − 1 ) 2 n ( 2 1 + e − 1 ) n … (★★)
+10점 · 수열 { b n } \displaystyle \{b_n\} { b n } 의 극한값을 계산하였는가? 제시문 <다>에 의하여 1 + e − 1 2 ∈ ( 0 , 1 ) \displaystyle \frac{1+e^{-1}}2\in(0,1) 2 1 + e − 1 ∈ ( 0 , 1 ) 이므로, lim n → ∞ ( 1 + e − 1 2 ) n = 0 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac{1+e^{-1}}2\right)^n=0 n → ∞ lim ( 2 1 + e − 1 ) n = 0 그러므로 lim n → ∞ n 2 n b n = 2 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac n{2^n}b_n=2 n → ∞ lim 2 n n b n = 2