수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
10 · (3-1)

(3-1) f(x)=enxex1\displaystyle f(x)=e^{nx}-e^x-1이라 하면 f(x)\displaystyle f(x)[0,1n]\displaystyle \left[0,\frac1n\right]에서 연속함수이다. 그리고f(0)=1<0,f(1n)=ee1n1(e1)e12>0\displaystyle f(0)=-1<0,\quad f\left(\frac1n\right)=e-e^{\frac1n}-1\ge(e-1)-e^{\frac12}>0이므로 중간값의 정리에 의해 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 근 an\displaystyle a_n은 열린구간 (0,1n)\displaystyle \left(0,\frac1n\right)에 존재한다.

15 · (3-2)

(3-2) 먼저Sn=0an{exenx+1}dx=[ex1nenx+x]0an=ean11n(enan1)+an\displaystyle S_n=\int_0^{a_n}\{e^x-e^{nx}+1\}\,dx=\Biggl[e^x-\frac1n e^{nx}+x\Biggr]_0^{a_n}=e^{a_n}-1-\frac1n(e^{na_n}-1)+a_n이므로Snan=ean1anenan1nan+1\displaystyle \frac{S_n}{a_n}=\frac{e^{a_n}-1}{a_n}-\frac{e^{na_n}-1}{na_n}+1이다. an\displaystyle a_n은 문제 (3-1)의 결과에 의해 0<an<1n\displaystyle 0<a_n<\frac1n이므로 limnan=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=0이다. 또한ean=enan1\displaystyle e^{a_n}=e^{na_n}-1에서 nan=ln(ean+1)\displaystyle na_n=\ln(e^{a_n}+1)이므로limn(nan)=limnln(ean+1)=ln{limn(ean+1)}=ln2\displaystyle \lim_{n\to\infty}(na_n)=\lim_{n\to\infty}\ln(e^{a_n}+1)=\ln\{\lim_{n\to\infty}(e^{a_n}+1)\}=\ln2이다. 따라서 다음을 얻는다.limnSnan=limn(ean1anenan1nan+1)=liman0(ean1an)limn(enan1nan)+1=1eln21ln2+1=221ln2=21ln2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{a_n}&=\lim_{n\to\infty}\left(\frac{e^{a_n}-1}{a_n}-\frac{e^{na_n}-1}{na_n}+1\right)\\&=\lim_{a_n\to0}\left(\frac{e^{a_n}-1}{a_n}\right)-\lim_{n\to\infty}\left(\frac{e^{na_n}-1}{na_n}\right)+1\\&=1-\frac{e^{\ln2}-1}{\ln2}+1=2-\frac{2-1}{\ln2}=2-\frac1{\ln2}\end{aligned}

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