수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후1) 1번

문제

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해설강의 준비중
+20점 · 현 PQ의 길이 f(t)\displaystyle f(t)와 현 PQ와 호 PQ로 둘러싸인 도형의 넓이 g(t)\displaystyle g(t)를 구했는가? +10점 · 삼각함수의 극한에 대한 성질을 활용해서 limt0+g(t)f(t)\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{g(t)}{f(t)}를 구했는가?

1. 오른쪽 그림에서 원의 중심 O에서 현 PQ에 내린 수선의 발을 H라 하자.f(t)=2QH=2sint2\displaystyle f(t)=2\overline{\mathrm{QH}}=2\sin\frac{t}{2},g(t)=12×12×t12×12×sint=12(tsint)\displaystyle g(t)=\frac{1}{2}\times1^2\times t-\frac{1}{2}\times1^2\times\sin t=\frac{1}{2}(t-\sin t)이므로

중심 O에서 현 PQ에 내린 수선의 발 H

limt0+g(t)f(t)=limt0+12(tsint)2sint2=limt0+12t2sint2(1sintt)=12×1×(11)=0\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{g(t)}{f(t)}=\lim_{t\to0+}\frac{\frac{1}{2}(t-\sin t)}{2\sin\frac{t}{2}}=\lim_{t\to0+}\frac{1}{2}\frac{\frac{t}{2}}{\sin\frac{t}{2}}\left(1-\frac{\sin t}{t}\right)=\frac{1}{2}\times1\times(1-1)=0

+20점 · 무한급수 limnP0P1+P0P2++P0Pn1n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\overline{\mathrm{P}_0\mathrm{P}_1}+\overline{\mathrm{P}_0\mathrm{P}_2}+\cdots+\overline{\mathrm{P}_0\mathrm{P}_{n-1}}}{n}를 적당한 정적분의 식으로 변환하였는가? +10점 · 정적분의 값을 구했는가?

2. 1\displaystyle 1번에서 구한 f(t)\displaystyle f(t)에 대하여,P0P1=f(2πn)\displaystyle \overline{P_0P_1}=f\left(\frac{2\pi}{n}\right), P0P2=f(2πn2)\displaystyle \overline{P_0P_2}=f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot2\right), \displaystyle \cdots, P0Pn1=f(2πn(n1))\displaystyle \overline{P_0P_{n-1}}=f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot(n-1)\right)이고,f(2πnn)=f(2π)=0\displaystyle f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot n\right)=f(2\pi)=0이므로,

원 위의 점 P0에서 다른 꼭짓점으로 그은 현

limnP0P1++P0Pn1n=limnk=1n1f(2πnk)1n=limn(k=1n1f(2πnk)1n+f(2πnn)1n)=limnk=1nf(2πnk)1n=limnk=1nf(0+2π0nk)2π0n12π=12π02πf(t)dt\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{\overline{P_0P_1}+\cdots+\overline{P_0P_{n-1}}}{n}&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n-1}f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot k\right)\frac{1}{n}\\&=\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{k=1}^{n-1}f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot k\right)\frac{1}{n}+f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot n\right)\frac{1}{n}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(\frac{2\pi}{n}\cdot k\right)\frac{1}{n}\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(0+\frac{2\pi-0}{n}\cdot k\right)\frac{2\pi-0}{n}\cdot\frac{1}{2\pi}=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f(t)\,dt\end{aligned}이고, f(t)=2sint2\displaystyle f(t)=2\sin\frac{t}{2}이므로, 12π02πf(t)dt=4π\displaystyle \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f(t)\,dt=\frac{4}{\pi}.

+20점 · 무한급수 limnS12+S22++Sn12n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_1^2+S_2^2+\cdots+S_{n-1}^2}{n}를 적당한 정적분의 식으로 변환하였는가? +20점 · 정적분의 값을 구했는가?

3. 1\displaystyle 1번에서 구한 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여,S1=g(2πn)\displaystyle S_1=g\left(\frac{2\pi}{n}\right), S2=g(2πn2)\displaystyle S_2=g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot2\right), \displaystyle \cdots, Sn1=g(2πn(n1))\displaystyle S_{n-1}=g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot(n-1)\right)이고,g(2πnn)=g(2π)=π\displaystyle g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot n\right)=g(2\pi)=\pi이므로,

길이가 같은 호로 나뉜 원과 현 P0P3

limnS12++Sn12n=limnk=1n1(g(2πnk))21n\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{S_1^2+\cdots+S_{n-1}^2}{n}&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n-1}\left(g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot k\right)\right)^2\frac{1}{n}\end{aligned}=limn(k=1n(g(2πnk))21n(g(2πnn))21n)\displaystyle \begin{aligned}&=\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{k=1}^n\left(g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot k\right)\right)^2\frac{1}{n}-\left(g\left(\frac{2\pi}{n}\cdot n\right)\right)^2\frac{1}{n}\right)\end{aligned}=limn(k=1n(g(0+2π0nk))22π0n12π)limnπ2n\displaystyle \begin{aligned}&=\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{k=1}^n\left(g\left(0+\frac{2\pi-0}{n}\cdot k\right)\right)^2\frac{2\pi-0}{n}\cdot\frac{1}{2\pi}\right)-\lim_{n\to\infty}\frac{\pi^2}{n}\end{aligned}=12π02π(g(t))2dt0=12π02π(12(tsint))2dt\displaystyle \begin{aligned}&=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}(g(t))^2\,dt-0=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\left(\frac{1}{2}(t-\sin t)\right)^2\,dt\end{aligned}=18π02π(t22tsint+sin2t)dt\displaystyle \begin{aligned}&=\frac{1}{8\pi}\int_0^{2\pi}(t^2-2t\sin t+\sin^2t)\,dt\end{aligned}이다.부분적분에 의해tsintdt=tcost+sint+C1\displaystyle \int t\sin t\,dt=-t\cos t+\sin t+C_1, sin2tdt=12(tcostsint)+C2\displaystyle \int\sin^2t\,dt=\frac{1}{2}(t-\cos t\sin t)+C_2를 구하고, 따라서18π02π(t22tsint+sin2t)dt=18π[13t32(tcost+2sint)+12(tcostsint)]02π\displaystyle \begin{aligned}\frac{1}{8\pi}\int_0^{2\pi}(t^2-2t\sin t+\sin^2t)\,dt&=\frac{1}{8\pi}\Biggl[\frac{1}{3}t^3-2(-t\cos t+2\sin t)+\frac{1}{2}(t-\cos t\sin t)\Biggr]_0^{2\pi}\end{aligned}Correction. 대괄호 안의 2sint\displaystyle 2\sin tsint\displaystyle \sin t의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.=18π(83π3+5π)=π23+58\displaystyle \begin{aligned}&=\frac{1}{8\pi}\left(\frac{8}{3}\pi^3+5\pi\right)=\frac{\pi^2}{3}+\frac{5}{8}\end{aligned}

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