수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

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【3-1】 dxdt=ncosn1tsint\displaystyle \dfrac{dx}{dt}=-n\cos^{n-1}t\sin t, dydt=nsinn1tcost\displaystyle \dfrac{dy}{dt}=n\sin^{n-1}t\cos t이므로sn=0π/2(ncosn1tsint)2+(nsinn1tcost)2dt=n0π/2sintcostcos2n4t+sin2n4tdt\displaystyle s_n=\int_0^{\pi/2}\sqrt{(-n\cos^{n-1}t\sin t)^2+(n\sin^{n-1}t\cos t)^2}\,dt=n\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt임을 알 수 있다. 따라서,

+15점 · s2=2\displaystyle s_2=\sqrt2를 구하면 +15점 · s3=32\displaystyle s_3=\dfrac32를 구하면

s2=20π/2sintcost1+1dt=220π/2sintcostdt=2,s3=30π/2sintcostcos2t+sin2tdt=30π/2sintcostdt=32\displaystyle \begin{aligned}s_2&=2\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\sqrt{1+1}\,dt=2\sqrt2\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\,dt=\sqrt2,\\s_3&=3\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\sqrt{\cos^2t+\sin^2t}\,dt=3\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\,dt=\dfrac32\end{aligned}이다.

+15점 · π2t=u\displaystyle \dfrac\pi2-t=u라 두고 치환적분을 이용하면 +15점 · an=bn\displaystyle a_n=b_n임을 보이면

【3-2】 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 sin(π2t)=cost\displaystyle \sin\left(\dfrac\pi2-t\right)=\cos t, cos(π2t)=sint\displaystyle \cos\left(\dfrac\pi2-t\right)=\sin t가 성립하므로, π2t=u\displaystyle \dfrac\pi2-t=u라 두고 치환적분을 이용하면an=n0π/4sintcostcos2n4t+sin2n4tdt=nπ/4π/2cosusinusin2n4u+cos2n4udu=bn\displaystyle a_n=n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt=n\int_{\pi/4}^{\pi/2}\cos u\sin u\sqrt{\sin^{2n-4}u+\cos^{2n-4}u}\,du=b_n임을 알 수 있다.

【3-3】sn=n0π/2sintcostcos2n4t+sin2n4tdt=n0π/4sintcostcos2n4t+sin2n4tdt+nπ/4π/2sintcostcos2n4t+sin2n4tdt=an+bn\displaystyle \begin{aligned}s_n&=n\int_0^{\pi/2}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt\\&=n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt+n\int_{\pi/4}^{\pi/2}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt=a_n+b_n\end{aligned}이고 an=bn\displaystyle a_n=b_n이므로, sn=2an\displaystyle s_n=2a_n이 성립함을 알 수 있다.

+20점 · 부등식 n0π/4sintcost(cosn2tsinn2t)dtan=n0π/4sintcostcos2n4t+sin2n4tdtn0π/4sintcost(cosn2t+sinn2t)dt\displaystyle n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t-\sin^{n-2}t)\,dt\le a_n=n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt\le n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t+\sin^{n-2}t)\,dt를 보이면

한편, 0tπ4\displaystyle 0\le t\le\dfrac\pi4인 실수 t\displaystyle t에 대하여,cosn2tsinn2tcos2n4t+sin2n4tcosn2t+sinn2t\displaystyle \cos^{n-2}t-\sin^{n-2}t\le\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\le\cos^{n-2}t+\sin^{n-2}t가 성립하므로,n0π/4sintcost(cosn2tsinn2t)dtan=n0π/4sintcostcos2n4t+sin2n4tdtn0π/4sintcost(cosn2t+sinn2t)dt\displaystyle \begin{aligned}n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t-\sin^{n-2}t)\,dt&\le a_n=n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t\sqrt{\cos^{2n-4}t+\sin^{2n-4}t}\,dt\\&\le n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t+\sin^{n-2}t)\,dt\end{aligned}임을 알 수 있다.

+20점 · 부등식 24(22)nsn2\displaystyle 2-4\left(\dfrac{\sqrt2}2\right)^n\le s_n\le2를 보이면

여기서n0π/4sintcost(cosn2tsinn2t)dt=[cosntsinnt]0π/4=12(22)n,\displaystyle n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t-\sin^{n-2}t)\,dt=\Biggl[-\cos^nt-\sin^nt\Biggr]_0^{\pi/4}=1-2\left(\dfrac{\sqrt2}2\right)^n,n0π/4sintcost(cosn2t+sinn2t)dt=[cosnt+sinnt]0π/4=1\displaystyle n\int_0^{\pi/4}\sin t\cos t(\cos^{n-2}t+\sin^{n-2}t)\,dt=\Biggl[-\cos^nt+\sin^nt\Biggr]_0^{\pi/4}=1이므로, 12(22)nan1\displaystyle 1-2\left(\dfrac{\sqrt2}2\right)^n\le a_n\le1이 성립함을 알 수 있다.

+20점 · limnsn=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}s_n=2를 구하면

따라서, 24(22)nsn2\displaystyle 2-4\left(\dfrac{\sqrt2}2\right)^n\le s_n\le2가 성립하므로 limnsn=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}s_n=2이다.

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