수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 2번

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문제

[2] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 극값을 가지면f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이다.

(나)(1) ∑k=1nk=n(n+1)2\displaystyle \sum_{k=1}^nk=\frac{n(n+1)}2(2) ∑k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\displaystyle \sum_{k=1}^nk^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6(3) ∑k=1nk3={n(n+1)2}2\displaystyle \sum_{k=1}^nk^3=\left\{\frac{n(n+1)}2\right\}^2

(다) 두 곡선 사이의 넓이두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x),y=g(x)\displaystyle y=f(x),y=g(x)와 두 직선 x=a,x=b\displaystyle x=a,x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx이다.

(라) 수열의 극한의 대소 관계두 수열 {an},{bn}\displaystyle \{a_n\},\{b_n\}이 수렴하고 lim⁡n→∞an=α, lim⁡n→∞bn=β\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\alpha,\ \lim_{n\to\infty}b_n=\beta일 때, 수열 {cn}\displaystyle \{c_n\}이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an≤cn≤bn\displaystyle a_n\le c_n\le b_n이고 α=β\displaystyle \alpha=\beta이면 {cn}\displaystyle \{c_n\}은 수렴하고lim⁡n→∞cn=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n=\alpha이다.

※ 모든 문항에서 풀이과정을 반드시 기술하시오.

삼차함수 f(x)=ax3+bx2+cx+n\displaystyle f(x)=ax^3+bx^2+cx+n은 다음 조건을 만족시킨다. (단, n\displaystyle n은 정수)

함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=m\displaystyle x=m에서 극댓값 m3+n\displaystyle m^3+n을 갖고, x=−m\displaystyle x=-m에서 극솟값을 갖는다. (단, m\displaystyle m은 자연수)

다음 물음에 답하시오.

【2-1】 4acm2\displaystyle \frac{4ac}{m^2}의 값을 구하시오. (30점)

【2-2】 두 곡선 y=f(x),y=mx2+n\displaystyle y=f(x),y=mx^2+n과 두 직선 x=0,x=m\displaystyle x=0,x=m으로 둘러싸인 도형의 넓이를 Am\displaystyle A_m이라 하고, 이 도형의 내부 또는 경계에 속하는 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표가 모두 정수인 점의 개수를 Bm\displaystyle B_m이라 하자.

(1) 자연수 k\displaystyle k에 대하여, m=2k−1\displaystyle m=2k-1이면Bm=k(pk3+qk2+rk+s)6\displaystyle B_m=\frac{k(pk^3+qk^2+rk+s)}6이다. (p−q)rs\displaystyle \frac{(p-q)r}s의 값을 구하시오. (단, p,q,r,s\displaystyle p,q,r,s는 상수) (40점)

(2) 수열 {BmAm}\displaystyle \left\{\frac{B_m}{A_m}\right\}이 수렴함을 증명하시오. (50점)

해설강의 준비중

논술 도형의 근사와 극한

관련 개념강의 준비중
+10점 · b=0,c=−3am2\displaystyle b=0,c=-3am^2을 구한다.

【2-1】 (30점)○ 예시 답안:주어진 조건과 제시문 (가)를 이용하면f′(x)=3ax2+2bx+c=3a(x+m)(x−m)=3ax2−3am2\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2+2bx+c=3a(x+m)(x-m)=3ax^2-3am^2이다. 좌변과 우변의 계수를 비교하면 b=0,c=−3am2\displaystyle b=0,c=-3am^2이므로 f(x)=ax3−3am2x+n\displaystyle f(x)=ax^3-3am^2x+n이다.

+10점 · a=−12\displaystyle a=-\frac12을 구한다.

주어진 조건을 이용하면f(m)=−2am3+n=m3+n\displaystyle f(m)=-2am^3+n=m^3+n이므로 a=−12\displaystyle a=-\frac12이다.

+10점 · 4acm2=−3\displaystyle \frac{4ac}{m^2}=-3을 구한다.

따라서 f(x)=−12x3+32m2x+n\displaystyle f(x)=-\frac12x^3+\frac32m^2x+n이고4acm2=4×(−12)×32m2m2=−3\displaystyle \frac{4ac}{m^2}=\frac{4\times\left(-\frac12\right)\times\frac32m^2}{m^2}=-3이다.

+20점 · (1) f(i)\displaystyle f(i)가 정수임을 보인다.

【2-2】 (90점)○ 예시 답안:(1)주어진 도형의 내부 또는 경계에서 직선 x=i\displaystyle x=i(i\displaystyle i는 0≤i≤m\displaystyle 0\le i\le m인 정수)위의 y\displaystyle y좌표가 정수인 점의 개수를 Li\displaystyle L_i라 하자.자연수 k\displaystyle k에 대하여, m=2k−1\displaystyle m=2k-1이면f(i)=−12i3+32(2k−1)2i+n=i2(−i2+3(2k−1)2)+n\displaystyle f(i)=-\frac12i^3+\frac32(2k-1)^2i+n=\frac i2(-i^2+3(2k-1)^2)+n이다. 여기서 i\displaystyle i가 짝수이면 i2\displaystyle \frac i2가 정수이므로 −12i3+32(2k−1)2i\displaystyle -\frac12i^3+\frac32(2k-1)^2i는 정수이고, i\displaystyle i가 홀수이면 −i2+3(2k−1)2\displaystyle -i^2+3(2k-1)^2은 짝수이므로 −12i3+32(2k−1)2i\displaystyle -\frac12i^3+\frac32(2k-1)^2i는 정수이다. 즉, f(i)\displaystyle f(i)는 정수이다.

+10점 · (1) Li\displaystyle L_i를 구한다.

따라서Li=−12i3−(2k−1)i2+32(2k−1)2i+1\displaystyle L_i=-\frac12i^3-(2k-1)i^2+\frac32(2k-1)^2i+1이고

+10점 · (1) Bm=B2k−1\displaystyle B_m=B_{2k-1}를 구하고 (p−q)rs=588\displaystyle \frac{(p-q)r}s=588을 구한다.

Bm=B2k−1=∑i=02k−1Li=∑i=02k−1(−12i3−(2k−1)i2+32(2k−1)2i+1)=−12{(2k−1)2k2}2−(2k−1)×(2k−1)2k(4k−1)6+32(2k−1)2×(2k−1)2k2+2k=k(28k3−56k2+35k+5)6\displaystyle \begin{aligned}B_m=B_{2k-1}&=\sum_{i=0}^{2k-1}L_i=\sum_{i=0}^{2k-1}\left(-\frac12i^3-(2k-1)i^2+\frac32(2k-1)^2i+1\right)\\&=-\frac12\left\{\frac{(2k-1)2k}2\right\}^2-(2k-1)\times\frac{(2k-1)2k(4k-1)}6+\frac32(2k-1)^2\times\frac{(2k-1)2k}2+2k\\&=\frac{k(28k^3-56k^2+35k+5)}6\end{aligned}이다. 즉(p−q)rs=(28+56)355=588\displaystyle \frac{(p-q)r}s=\frac{(28+56)35}5=588이다.

+20점 · (2) Li\displaystyle L_i의 부등식을 구한다.

(2)주어진 도형의 내부 또는 경계에서 직선 x=i\displaystyle x=i(i\displaystyle i는 0≤i≤m\displaystyle 0\le i\le m인 정수)위의 y\displaystyle y좌표가 정수인 점의 개수를 Li\displaystyle L_i라 하면−12i3−mi2+32m2i=−12i3+32m2i+n−(mi2+n)≤Li≤−12i3+32m2i+n−(mi2+n)+1=−12i3−mi2+32m2i+1\displaystyle \begin{aligned}-\frac12i^3-mi^2+\frac32m^2i&=-\frac12i^3+\frac32m^2i+n-(mi^2+n)\le L_i\\&\le-\frac12i^3+\frac32m^2i+n-(mi^2+n)+1=-\frac12i^3-mi^2+\frac32m^2i+1\end{aligned}이다. 따라서

+10점 · (2) Bm\displaystyle B_m의 범위를 구한다.

−12{m(m+1)2}2−m×m(m+1)(2m+1)6+32m2×m(m+1)2≤Bm=∑i=0mLi≤−12{m(m+1)2}2−m×m(m+1)(2m+1)6+32m2×m(m+1)2+m+1\displaystyle \begin{aligned}-\frac12\left\{\frac{m(m+1)}2\right\}^2-m\times\frac{m(m+1)(2m+1)}6+\frac32m^2\times\frac{m(m+1)}2&\le B_m=\sum_{i=0}^mL_i\\&\le-\frac12\left\{\frac{m(m+1)}2\right\}^2-m\times\frac{m(m+1)(2m+1)}6+\frac32m^2\times\frac{m(m+1)}2+m+1\end{aligned}이고, 이 부등식에서 가장 왼쪽 값을 Cm\displaystyle C_m, 가장 오른쪽 값을 Dm\displaystyle D_m이라 하자.

+10점 · (2) Am\displaystyle A_m을 구한다.

또한Am=∫0m(−12x3+32m2x−mx2)dx=−18m4+34m4−13m4=−3+18−824m4=724m4\displaystyle A_m=\int_0^m\left(-\frac12x^3+\frac32m^2x-mx^2\right)dx=-\frac18m^4+\frac34m^4-\frac13m^4=\frac{-3+18-8}{24}m^4=\frac7{24}m^4이다. 부등식

+10점 · (2) lim⁡m→∞CmAm=lim⁡m→∞DmAm=1\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{C_m}{A_m}=\lim_{m\to\infty}\frac{D_m}{A_m}=1을 계산한다.

CmAm≤BmAm≤DmAm\displaystyle \frac{C_m}{A_m}\le\frac{B_m}{A_m}\le\frac{D_m}{A_m}에서lim⁡m→∞CmAm=lim⁡m→∞DmAm=1\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{C_m}{A_m}=\lim_{m\to\infty}\frac{D_m}{A_m}=1이므로 제시문 (라)에 의하여 수열 {BmAm}\displaystyle \left\{\frac{B_m}{A_m}\right\}이 1로 수렴한다.

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