수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후1) 2번

문제

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+4점 · a=2n,b=2n+3\displaystyle a=2n,b=2n+3로 택하면 4점 +4점 · 제시문 (가)에 있는 부등식 1b<lnblnaba<1a\displaystyle \frac1b<\frac{\ln b-\ln a}{b-a}<\frac1a에 대입하여 다음을 보이면 4점 12n+3<ln(2n+3)ln(2n)3<12n12n+3<13ln(1+32n)<12n3n2n+3<ln(1+32n)n<32\displaystyle \frac1{2n+3}<\frac{\ln(2n+3)-\ln(2n)}3<\frac1{2n}\Rightarrow\frac1{2n+3}<\frac13\ln\left(1+\frac3{2n}\right)<\frac1{2n}\Rightarrow\frac{3n}{2n+3}<\ln\left(1+\frac3{2n}\right)^n<\frac32

(2-1) a=2n,b=2n+3\displaystyle a=2n,b=2n+3로 택하자. 제시문 (가)에 있는 부등식 1b<lnblnaba<1a\displaystyle \frac1b<\frac{\ln b-\ln a}{b-a}<\frac1a에 대입하면12n+3<ln(2n+3)ln(2n)3<12n12n+3<13ln(1+32n)<12n3n2n+3<ln(1+32n)n<32\displaystyle \begin{aligned}\frac1{2n+3}<\frac{\ln(2n+3)-\ln(2n)}3<\frac1{2n}\quad&\Rightarrow\quad\frac1{2n+3}<\frac13\ln\left(1+\frac3{2n}\right)<\frac1{2n}\\&\Rightarrow\quad\frac{3n}{2n+3}<\ln\left(1+\frac3{2n}\right)^n<\frac32\end{aligned}

+4점 · 마지막 부등식에 limn\displaystyle \lim_{n\to\infty}을 취하면 제시문 (나)와 제시문 (다)에 의하여 다음극한을 구하면 4점 limnln(1+32n)n=ln(limn(1+32n)n)=32\displaystyle \lim_{n\to\infty}\ln\left(1+\frac3{2n}\right)^n=\ln\left(\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac3{2n}\right)^n\right)=\frac32 +3점 · limn(1+32n)n=e32=ee\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac3{2n}\right)^n=e^{\frac32}=e\sqrt e을 구하면 3점

마지막 부등식에 limn\displaystyle \lim_{n\to\infty}을 취하면 제시문 (나)와 제시문 (다)에 의하여limnln(1+32n)n=ln(limn(1+32n)n)=32\displaystyle \lim_{n\to\infty}\ln\left(1+\frac3{2n}\right)^n=\ln\left(\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac3{2n}\right)^n\right)=\frac32이다.따라서 limn(1+32n)n=e32=ee\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac3{2n}\right)^n=e^{\frac32}=e\sqrt e이다.

+2점 · 그림에서 OA=13\displaystyle OA=\frac1{\sqrt3}, AB=1+OA2=1+13=23=BC=a2\displaystyle AB=\sqrt{1+OA^2}=\sqrt{1+\frac13}=\frac2{\sqrt3}=BC=a_2 2θ2=θ1=30\displaystyle 2\theta_2=\theta_1=30^{\circ}이므로 θ2=15\displaystyle \theta_2=15^{\circ}이다. +3점 · sin15=OACA, OA2=13, CA2=OA2+(a1+a2)2=13+(1+23)2=83+43=8+433\displaystyle \sin15^{\circ}=\frac{OA}{CA},\ OA^2=\frac13,\ CA^2=OA^2+(a_1+a_2)^2=\frac13+\left(1+\frac2{\sqrt3}\right)^2=\frac83+\frac4{\sqrt3}=\frac{8+4\sqrt3}3 sin215=OA2CA2=234\displaystyle \sin^215^{\circ}=\frac{OA^2}{CA^2}=\frac{2-\sqrt3}4

(2-2)(a) 위 그림에서 OA=13\displaystyle OA=\frac1{\sqrt3}, AB=1+OA2=1+13=23=BC=a2\displaystyle AB=\sqrt{1+OA^2}=\sqrt{1+\frac13}=\frac2{\sqrt3}=BC=a_22θ2=θ1=30\displaystyle 2\theta_2=\theta_1=30^{\circ}이므로 θ2=15\displaystyle \theta_2=15^{\circ}이다. 따라서sin15=OACA, OA2=13, CA2=OA2+(a1+a2)2=13+(1+23)2=83+43=8+433\displaystyle \sin15^{\circ}=\frac{OA}{CA},\ OA^2=\frac13,\ CA^2=OA^2+(a_1+a_2)^2=\frac13+\left(1+\frac2{\sqrt3}\right)^2=\frac83+\frac4{\sqrt3}=\frac{8+4\sqrt3}3sin215=OA2CA2=234\displaystyle \sin^215^{\circ}=\frac{OA^2}{CA^2}=\frac{2-\sqrt3}4

+2점 · θn=θ12n1=π3×2n\displaystyle \theta_n=\frac{\theta_1}{2^{n-1}}=\frac\pi{3\times2^n}를 구하면 2점 +2점 · limnθn=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\theta_n=0, limnsinθnθn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\sin\theta_n}{\theta_n}=1임을 서술하면 2점 +5점 · OA=13\displaystyle OA=\frac1{\sqrt3}, an+1=OAsinθn=13sinθn\displaystyle a_{n+1}=\frac{OA}{\sin\theta_n}=\frac1{\sqrt3\sin\theta_n}를 보이면 5점 +6점 · limn2nan+1=limn(2n3sinθnθnπ3×2n)=33π=π3\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2^n}{a_{n+1}}=\lim_{n\to\infty}\left(2^n\sqrt3\frac{\sin\theta_n}{\theta_n}\frac\pi{3\times2^n}\right)=\frac{\sqrt3}3\pi=\frac\pi{\sqrt3}

(2-2)(b) 먼저 θn=θ12n1=π3×2n\displaystyle \theta_n=\frac{\theta_1}{2^{n-1}}=\frac\pi{3\times2^n}, limnθn=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\theta_n=0, limnsinθnθn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\sin\theta_n}{\theta_n}=1이다.또한 OA=13\displaystyle OA=\frac1{\sqrt3}, an+1=OAsinθn=13sinθn\displaystyle a_{n+1}=\frac{OA}{\sin\theta_n}=\frac1{\sqrt3\sin\theta_n}이므로limn2nan+1=limn2n13sinθn=limn(2n3sinθnθnθn)=limn(2n3sinθnθnπ3×2n)=33π=π3\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\frac{2^n}{a_{n+1}}&=\lim_{n\to\infty}\frac{2^n}{\frac1{\sqrt3\sin\theta_n}}=\lim_{n\to\infty}\left(2^n\sqrt3\frac{\sin\theta_n}{\theta_n}\theta_n\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\left(2^n\sqrt3\frac{\sin\theta_n}{\theta_n}\frac\pi{3\times2^n}\right)=\frac{\sqrt3}3\pi=\frac\pi{\sqrt3}\end{aligned}

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