수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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해설강의 준비중

논술 직선에 접하는 원의 배치

관련 개념강의 준비중
+20점 · 계산과정을 명확히 설명하였는가?

1. 직선 l\displaystyle l에 접하는 두 원의 반지름이 a,b\displaystyle a,b라고 할 때,이 두 원에 접하고 l\displaystyle l에 접하는 원의 반지름 r\displaystyle r을 구하면(a+b)2=(ab)2+d2\displaystyle (a+b)^2=(a-b)^2+d^2이므로 d=2ab\displaystyle d=2\sqrt{ab}이고,d=(a+b)2(ar)2+(b+r)2(br)2=2ab\displaystyle d=\sqrt{(a+b)^2-(a-r)^2}+\sqrt{(b+r)^2-(b-r)^2}=2\sqrt{ab}Correction. 첫 번째 제곱근의 (a+b)2\displaystyle (a+b)^2(a+r)2\displaystyle (a+r)^2의 오기이다. 외접하는 두 원의 반지름이 a\displaystyle a, r\displaystyle r이므로 중심 사이의 거리는 a+r\displaystyle a+r이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.에서r=11a+1b\displaystyle \sqrt r=\frac1{\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}} … (★)

직선 l에 접하는 반지름 a, b, r인 세 원

이제 원 C, D\displaystyle C,\ D에서 시작하여 C1,C2,...\displaystyle C_1,C_2,...의 각각의 반지름 r1,r2,...\displaystyle r_1,r_2,...를 생각할 때 cn=1rn\displaystyle c_n=\frac1{\sqrt{r_n}}으로 정의하고 (★)를 이용하여 cn\displaystyle c_n을 계산하자.Cn\displaystyle C_n이 직선 l\displaystyle l과 원 Ck, Cm\displaystyle C_k,\ C_m에 접하므로1rn=1rk+1rm=cn=ck+cm\displaystyle \frac1{\sqrt{r_n}}=\frac1{\sqrt{r_k}}+\frac1{\sqrt{r_m}}=c_n=c_k+c_mA\displaystyle A의 영역 중 가장 큰 원부터 채워 넣어야 하므로 cn\displaystyle c_n이 작은 순서대로 위 계산을 반복해 주면 된다. 다음은 위에서 설명한 과정을 그림으로 나타낸 것이다.

그림 1 원 Cn을 생성하는 과정
그림 2 cn을 구하는 과정
+10점 · 수열의 12번째 값을 정확히 얻었는가?

따라서 c12=c13=c14=c15=7\displaystyle c_{12}=c_{13}=c_{14}=c_{15}=7이므로, r12=(17)2=149\displaystyle r_{12}=\left(\frac17\right)^2=\frac1{49}이다

+15점 · 적분값 an\displaystyle a_n을 함수 f\displaystyle f와 자연수 n\displaystyle n에 대한 형태로 나타내었는가?

2. 제시문 <나>에 의하여 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소한다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 일대일 함수이다. u=f(x)\displaystyle u=f(x)로 치환하면an=1n2021nf(x)dx=f(1n)f(2021n)uduf(x)=f(1n)f(2021n)uduf(x)2f(x)=f(1n)f(2021n)du2u=2[2u]f(1n)f(2021n)=2(2f(2021n)2f(1n))\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}

+15점 · 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 극한값을 계산하였는가?

가정에 의하여limn2f(1n)=2limt0+f(t)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt{2-f\left(\frac1n\right)}=\sqrt{2-\lim_{t\to0+}f(t)}=0이고, 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)0<f(x)<2\displaystyle 0<f(x)<2이고 감소하므로 함수 2f(x)\displaystyle \sqrt{2-f(x)}0<2f(x)<2\displaystyle 0<\sqrt{2-f(x)}<\sqrt2이고 증가한다.자연수 n\displaystyle n에 대하여 cn=1n2f(x)dx\displaystyle c_n=\int_1^n\sqrt{2-f(x)}\,dx라 하면,cn1n2f(1)dx=2f(1)(n1)\displaystyle c_n\ge\int_1^n\sqrt{2-f(1)}\,dx=\sqrt{2-f(1)}(n-1).한편cn=1nf(x)f(x)dx=[lnf(x)]1n=(lnf(n)lnf(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)),lnf(n)lnf(1)2f(1)(n1)\displaystyle \ln f(n)-\ln f(1)\le-\sqrt{2-f(1)}(n-1)따라서limnlnf(n)=\displaystyle \lim_{n\to\infty}\ln f(n)=-\infty 또는 limnf(2021n)=limnf(n)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}f(2021n)=\lim_{n\to\infty}f(n)=0.그러므로 limnan=2limn2f(2021n)=22\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=2\lim_{n\to\infty}\sqrt{2-f(2021n)}=2\sqrt2

+30점 · 적분값 bn\displaystyle b_nn\displaystyle n에 대한 적절한 식으로 나타내었는가?

3. <해 1> 이항정리에 의하여bn=01e(n+2)xk=0nnCke(nk)xdx=k=0nnCk01e(k+2)xdx(t=ex으로 치환)=k=0nnCke11tk+1dt=e11t(t+1)ndt\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}한편, 부분적분법에 의하여e11t(t+1)ndt=[t(t+1)n+1n+1]e111n+1e11(t+1)n+1dt=2n+1e1(1+e1)n+1n+12n+2(1+e1)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}따라서n2nbn=2nn+1e1(1+e1)nn+1(1+e12)n4n(n+1)(n+2)+(1+e1)2n(n+1)(n+2)(1+e12)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} … (★★)

+10점 · 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 극한값을 계산하였는가?

제시문 <다>에 의하여 1+e12(0,1)\displaystyle \frac{1+e^{-1}}2\in(0,1)이므로, limn(1+e12)n=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac{1+e^{-1}}2\right)^n=0그러므로 limnn2nbn=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac n{2^n}b_n=2

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