수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 3번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · 답을 구하고 (그림 등을 이용하여) 설명함 (3점)

(1) 정n\displaystyle n각형의 인접한 두 꼭짓점 사이의 중심각은 2πn\displaystyle \frac{2\pi}n이므로 i\displaystyle i번째, j\displaystyle j번째 꼭짓점 사이의 중심각은 k=ji\displaystyle k=j-i라 하면 2πnk\displaystyle \frac{2\pi}nk (1kn2\displaystyle 1\le k\le\frac n2인 경우) 또는 2π2πnk\displaystyle 2\pi-\frac{2\pi}nk (n2kn1\displaystyle \frac n2\le k\le n-1인 경우)이다. 반지름 1인 원에서 중심각이 0θπ\displaystyle 0\le\theta\le\pi인 현의 길이는 2sinθ2\displaystyle 2\sin\frac\theta2이며 중심각이 2πθ\displaystyle 2\pi-\theta인 현 (πθ2π\displaystyle \pi\le\theta\le2\pi)의 길이 또한 2sin2πθ2=2sin(πθ2)=2sinθ2\displaystyle 2\sin\frac{2\pi-\theta}2=2\sin\left(\pi-\frac\theta2\right)=2\sin\frac\theta2이므로 i\displaystyle i번째, j\displaystyle j번째 꼭짓점 사이의 거리 PiPj\displaystyle \overline{P_iP_j}2sinπnk\displaystyle 2\sin\frac\pi n k이다.

+4점 · 설명과 식의 전개가 논리적이고 정확함 (4점)

(2) 꼭짓점 Pi\displaystyle {{P}}_{{i}}와 다른 꼭짓점을 이은 선분들의 길이의 평균은 각 1in\displaystyle 1 \leq i \leq n에 대해 모두 동일한 값 Ln\displaystyle L_{{n}}이다. 즉,

Ln=1n1(P1P2+P1P3++P1Pn)\displaystyle L_n=\frac1{n-1}(\overline{P_1P_2}+\overline{P_1P_3}+\cdots+\overline{P_1P_n}) (P1\displaystyle P_1와 다른 꼭짓점을 이은 선분의 길이의 평균)

Ln=1n1(P2P1+P2P3++P2Pn)\displaystyle L_n=\frac1{n-1}(\overline{P_2P_1}+\overline{P_2P_3}+\cdots+\overline{P_2P_n}) (P2\displaystyle P_2와 다른 꼭짓점을 이은 선분의 길이의 평균)

Ln=1n1(PnP1+PnP2++PnPn1)\displaystyle L_n=\frac1{n-1}(\overline{P_nP_1}+\overline{P_nP_2}+\cdots+\overline{P_nP_{n-1}}) (Pn\displaystyle P_n와 다른 꼭짓점을 이은 선분의 길이의 평균)

임의의 두 꼭짓점을 잇는 선분은 위의 n\displaystyle n개의 식의 우변에서 두 번씩 나타난다. 가령 꼭짓점 Pi\displaystyle {{P}}_{{i}}, Pj\displaystyle {{P}}_{{j}}를 잇는 선분은 i\displaystyle i번째, j\displaystyle j번째 식의 우변에 한 번씩 나타난다. 따라서 위의 n\displaystyle n개의 식을 모두 더하면

n×Ln=1n1×2×(모든 선분의 길이의 합)=1n1×2×n(n1)2×Mn=n×Mn\displaystyle \begin{aligned}n\times L_n&=\frac1{n-1}\times2\times(\text{모든 선분의 길이의 합})\\&=\frac1{n-1}\times2\times\frac{n(n-1)}2\times M_n=n\times M_n\end{aligned}

을 얻고, 따라서 Ln=Mn\displaystyle L_{{n}} = M_{{n}}이다.

+4점 · 급수의 극한을 정적분으로 나타내어 극한을 구하였으며 식의 전개과정이 정확함 (4점)

(3) (1)과 (2)에 의해

Mn=Ln=1n1(P1P2+P1P3++P1Pn)=1n1k=1n12sin(πnk)=nn11nk=1n2sin(πkn)(sin(πnn)=0)\displaystyle \begin{aligned}M_n=L_n&=\frac1{n-1}(\overline{P_1P_2}+\overline{P_1P_3}+\cdots+\overline{P_1P_n})\\&=\frac1{n-1}\sum_{k=1}^{n-1}2\sin\left(\frac\pi nk\right)=\frac n{n-1}\cdot\frac1n\sum_{k=1}^n2\sin\left(\pi\frac kn\right)\end{aligned}\quad\left(\because\sin\left(\pi\frac nn\right)=0\right)

이고, n\displaystyle n \to \infty 일 때 극한을 취하면 정적분과 급수 사이의 관계에 의해 극한값은

limnMn=limnnn1×limn1nk=1n2sin(πkn)=1×012sinπxdx=2πcosπx01=4π\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}M_n&=\lim_{n\to\infty}\frac n{n-1}\times\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n2\sin\left(\pi\frac kn\right)\\&=1\times\int_0^1 2\sin\pi x\,dx=-\left.\frac2\pi\cos\pi x\right|_0^1=\frac4\pi\end{aligned}이다.

+3점 · 같은 색, 다른 색 꼭짓점을 잇는 선분의 개수중 하나만 구함 (1점) 같은 색, 다른 색 꼭짓점을 잇는 선분의 개수 모두 구함 (3점)

(4) 정 2n\displaystyle 2 n각형에서 검은색, 흰색 꼭짓점들은 각각 n\displaystyle n개 있다. 서로 다른 색 꼭짓점을 잇는 선분의 개수는 검은색 꼭짓점 중 하나, 흰색 꼭짓점 중 하나를 선택하는 경우의 수와 같으므로 n×n=n2\displaystyle n \times n = n^{{2}}이다. 서로 같은 색 꼭짓점을 잇는 선분의 개수는 전체에서 이 개수를 뺀 수이므로 2nC2n2=2n(2n1)2n2=n(n1)\displaystyle {}_{2n}\mathrm C_2 - n^{{2}} = \frac{{2 n ( 2 n - 1 )}}{{2}} - n^{{2}} = n ( n - 1 )이다.

+6점 · limnFn\displaystyle \lim_{n\to\infty}F_n을 구하고 그 과정을 설명함 (3점) limnGn\displaystyle \lim_{n\to\infty}G_n을 구하고 그 과정을 설명함 (3점)

(5) 정 2n\displaystyle 2 n각형에서 검은색 꼭짓점들은 정 n\displaystyle n각형의 꼭짓점들이다. 따라서 정 2n\displaystyle 2 n각형에서 두 꼭짓점이 모두 검은색인 선분의 개수는 정 n\displaystyle n각형의 두 꼭짓점을 잇는 선분의 개수 n(n1)2\displaystyle \frac{{n ( n - 1 )}}{{2}}이고, 그 길이의 평균은 Mn\displaystyle M_{{n}}이다. 두 꼭짓점이 모두 흰색인 선분의 개수와 길이의 평균도 마찬가지이다. 따라서 같은 색 꼭짓점을 잇는 선분의 길이의 평균은 Fn=12Mn+12Mn=Mn\displaystyle F_{{n}} = \frac{{1}}{{2}} M_{{n}} + \frac{{1}}{{2}} M_{{n}} = M_{{n}}이고 그 극한은  limnFn=limnMn=4π\displaystyle \ \lim _{{n \to \infty }} F_{{n}} = \lim _{{n \to \infty }} M_{{n}} = \frac{{4}}{{\pi }}이다.

2n\displaystyle 2 n각형의 두 꼭짓점들을 잇는 선분들의 길이의 평균 M2n\displaystyle M_{{2 n}}은 서로 같은색 꼭짓점을 잇는 선분들, 서로 다른색 두 꼭짓점을 잇는 선분들 각각의 개수와 길이의 평균으로부터

M2n=n(n1)2n(2n1)/2Fn+n22n(2n1)/2Gn=n12n1Fn+n2n1Gn\displaystyle M_{{2 n}} = \frac{{n ( n - 1 )}}{{2 n ( 2 n - 1 ) / 2}} F_{{n}} + \frac{{n^{{2}}}}{{2 n ( 2 n - 1 ) / 2}} G_{{n}} = \frac{{n - 1}}{{2 n - 1}} F_{{n}} + \frac{{n}}{{2 n - 1}} G_{{n}}

와 같이 쓸 수 있다. n\displaystyle n \to \infty 일 때 극한을 취하면 limnM2n=limnMn=4π\displaystyle \lim _{{n \to \infty }} M_{{2 n}} = \lim _{{n \to \infty }} M_{{n}} = \frac{{4}}{{\pi }}로부터 4π=124π+12limnGn\displaystyle \frac{{4}}{{\pi }} = \frac{{1}}{{2}} \cdot \frac{{4}}{{\pi }} + \frac{{1}}{{2}} \cdot \lim _{{n \to \infty }} G_{{n}}, 즉, limnGn=4π\displaystyle \lim _{{n \to \infty }} G_{{n}} = \frac{{4}}{{\pi }}이다.

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