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자연계열 II 3번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · 평균값 정리를 활용하여 h(ci)=F(i+1)F(i)\displaystyle h(c_i)=F(i+1)-F(i)를 만족하는 ci\displaystyle c_i가 열린구간 (i,i+1)\displaystyle (i,i+1)에 존재함을 보인다. +5점 · 자연수 i\displaystyle i (im\displaystyle i\ge m)에 대하여 h(i+1)<h(ci)<h(i)\displaystyle h(i+1)<h(c_i)<h(i)가 성립함을 보인다. +10점 · i=m+1n+1h(i)<F(n+1)F(m)<i=mnh(i)\displaystyle \sum_{i=m+1}^{n+1}h(i)<F(n+1)-F(m)<\sum_{i=m}^nh(i)을 유도한다.

【3-1】함수 h(x)\displaystyle h(x)의 부정적분을 F(x)\displaystyle F(x)라 하자. 각각의 자연수 i\displaystyle i에 대하여, 평균값 정리에 의해h(ci)=F(i+1)F(i)(i+1)i=F(i+1)F(i)\displaystyle h(c_i)=\dfrac{F(i+1)-F(i)}{(i+1)-i}=F(i+1)-F(i)를 만족하는 ci\displaystyle c_i가 열린구간 (i,i+1)\displaystyle (i,i+1)에 존재한다.함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [m,)\displaystyle [m,\infty)에서 감소하므로 각각의 자연수 i\displaystyle i (im\displaystyle i\ge m)에 대하여h(i+1)<h(ci)<h(i)\displaystyle h(i+1)<h(c_i)<h(i)가 성립한다. 따라서i=m+1n+1h(i)<F(n+1)F(m)<i=mnh(i)\displaystyle \sum_{i=m+1}^{n+1}h(i)<F(n+1)-F(m)<\sum_{i=m}^nh(i)이다. 한편, 치환적분법에 의해

+10점 · F(n+1)F(m)=g(m)g(n+1)f(u)du\displaystyle F(n+1)-F(m)=\int_{g(m)}^{g(n+1)}f(u)\,du을 보인다.

F(n+1)F(m)=mn+1f(g(x))g(x)dx=g(m)g(n+1)f(u)du\displaystyle F(n+1)-F(m)=\int_m^{n+1}f(g(x))g^{\prime}(x)\,dx=\int_{g(m)}^{g(n+1)}f(u)\,du이다. 따라서,i=m+1n+1h(i)<g(m)g(n+1)f(x)dx<i=mnh(i)\displaystyle \sum_{i=m+1}^{n+1}h(i)<\int_{g(m)}^{g(n+1)}f(x)\,dx<\sum_{i=m}^nh(i)이다.

+5점 · 문제의 조건을 만족시키는 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)를 구한다. 예) f(x)=21x\displaystyle f(x)=2^{\frac1x}, g(x)=1x+3\displaystyle g(x)=\dfrac1{x+3} +10점 · 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 구간 [m,)\displaystyle [m,\infty)에서 감소함을 보인다. 예) h(x)=f(g(x))g(x)=2x+3(x+3)2\displaystyle h(x)=f(g(x))g^{\prime}(x)=\dfrac{-2^{x+3}}{(x+3)^2}는 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 감소

【3-2】f(x)=21x\displaystyle f(x)=2^{\frac1x}, g(x)=1x+3\displaystyle g(x)=\dfrac1{x+3}이라 두자.그러면 h(x)=f(g(x))g(x)=2x+3(x+3)2\displaystyle h(x)=f(g(x))g^{\prime}(x)=\dfrac{-2^{x+3}}{(x+3)^2}이고 i=1nh(i)=i=1n2i+3(i+3)2\displaystyle \sum_{i=1}^nh(i)=\sum_{i=1}^n\dfrac{-2^{i+3}}{(i+3)^2}이다.한편, i=11h(i)=2442\displaystyle \sum_{i=1}^1h(i)=-\dfrac{2^4}{4^2}, i=13h(i)=(2442+2552+2662)\displaystyle \sum_{i=1}^3h(i)=-\left(\dfrac{2^4}{4^2}+\dfrac{2^5}{5^2}+\dfrac{2^6}{6^2}\right), i=14h(i)=(2442+2552+2662+2772)\displaystyle \sum_{i=1}^4h(i)=-\left(\dfrac{2^4}{4^2}+\dfrac{2^5}{5^2}+\dfrac{2^6}{6^2}+\dfrac{2^7}{7^2}\right)이다.구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이며 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 미분가능이며 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)는 연속이다.또한, x>1\displaystyle x>1일 때 h(x)=2x+3{(x+3)ln22}(x+3)3<0\displaystyle h^{\prime}(x)=-\dfrac{2^{x+3}\{(x+3)\ln2-2\}}{(x+3)^3}<0이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 감소한다.

+20점 · 2<12171421xdx\displaystyle 2<\dfrac12\int_{\frac17}^{\frac14}2^{\frac1x}\,dx, 12171421xdx<3\displaystyle \dfrac12\int_{\frac17}^{\frac14}2^{\frac1x}\,dx<3임을 각각 보인다. (각 10점) +5점 · 정수부분 2\displaystyle 2를 구한다.

따라서, 【3-1】에 의해(2552+2662+2772)=i=24h(i)<1417f(x)dx<i=13h(i)=(2442+2552+2662)\displaystyle -\left(\dfrac{2^5}{5^2}+\dfrac{2^6}{6^2}+\dfrac{2^7}{7^2}\right)=\sum_{i=2}^4h(i)<\int_{\frac14}^{\frac17}f(x)\,dx<\sum_{i=1}^3h(i)=-\left(\dfrac{2^4}{4^2}+\dfrac{2^5}{5^2}+\dfrac{2^6}{6^2}\right)이므로 2.032342+2452+2562<12171421xdx<2452+2562+26722.84\displaystyle 2.03\approx\dfrac{2^3}{4^2}+\dfrac{2^4}{5^2}+\dfrac{2^5}{6^2}<\dfrac12\int_{\frac17}^{\frac14}2^{\frac1x}\,dx<\dfrac{2^4}{5^2}+\dfrac{2^5}{6^2}+\dfrac{2^6}{7^2}\approx2.84이다.따라서, 정답은 2\displaystyle 2이다.

+5점 · 문제의 조건을 만족시키는 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)를 구한다. 예) f(x)=lnx\displaystyle f(x)=-\ln x, g(x)=x2+1x+1\displaystyle g(x)=\dfrac{x^2+1}{x+1} +10점 · 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 구간 [m,)\displaystyle [m,\infty)에서 감소함을 보인다. 예) h(x)=f(g(x))g(x)={ln(x2+1x+1)}{x2+2x1(x+1)2}\displaystyle h(x)=f(g(x))g^{\prime}(x)=\left\{-\ln\left(\dfrac{x^2+1}{x+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{x^2+2x-1}{(x+1)^2}\right\}는 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 감소

【3-3】f(x)=lnx\displaystyle f(x)=-\ln x, g(x)=x2+1x+1\displaystyle g(x)=\dfrac{x^2+1}{x+1}라 두자.그러면 h(x)=f(g(x))g(x)={ln(x2+1x+1)}{x2+2x1(x+1)2}\displaystyle h(x)=f(g(x))g^{\prime}(x)=\left\{-\ln\left(\dfrac{x^2+1}{x+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{x^2+2x-1}{(x+1)^2}\right\}이고i=1nh(i)=i=1n[{ln(i2+1i+1)}{i2+2i1(i+1)2}]\displaystyle \sum_{i=1}^nh(i)=-\sum_{i=1}^n\left[\left\{\ln\left(\dfrac{i^2+1}{i+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{i^2+2i-1}{(i+1)^2}\right\}\right]이다.구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이며 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 미분가능이며 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)는 연속이다.x>1\displaystyle x>1일 때 h(x)=[{x+1x2+1}{x2+2x1(x+1)2}2+{lnx2+1x+1}{4(x+1)3}]<0\displaystyle h^{\prime}(x)=-\left[\left\{\dfrac{x+1}{x^2+1}\right\}\left\{\dfrac{x^2+2x-1}{(x+1)^2}\right\}^2+\left\{\ln\dfrac{x^2+1}{x+1}\right\}\left\{\dfrac4{(x+1)^3}\right\}\right]<0이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 감소한다.h(1)=0\displaystyle h(1)=0이며 문제 【3-1】에 의해 n1\displaystyle n\ge1일 때 아래의 부등식을 얻을 수 있다.i=1n+1[{ln(i2+1i+1)}{i2+2i1(i+1)2}]<1n2+2n+2n+2(lnx)dx<i=1n[{ln(i2+1i+1)}{i2+2i1(i+1)2}]\displaystyle -\sum_{i=1}^{n+1}\left[\left\{\ln\left(\dfrac{i^2+1}{i+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{i^2+2i-1}{(i+1)^2}\right\}\right]<\int_1^{\frac{n^2+2n+2}{n+2}}(-\ln x)\,dx<-\sum_{i=1}^n\left[\left\{\ln\left(\dfrac{i^2+1}{i+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{i^2+2i-1}{(i+1)^2}\right\}\right]

+10점 · 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 cn<an\displaystyle c_n<a_n이 되도록 하는 수열 cn\displaystyle {c_n}의 일반항을 구한다. +10점 · 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an<bn\displaystyle a_n<b_n이 되도록 하는 수열 bn\displaystyle {b_n}의 일반항을 구한다.

따라서, n1\displaystyle n\ge1일 때an=4(n+1)ln(n+1)k=1n+1[{ln(k2+1k+1)}{k2+2k1(k+1)2}]<4(n+1)ln(n+1)1n2+2n+2n+2(lnx)dx\displaystyle a_n=-\dfrac4{(n+1)\ln(n+1)}\sum_{k=1}^{n+1}\left[\left\{\ln\left(\dfrac{k^2+1}{k+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{k^2+2k-1}{(k+1)^2}\right\}\right]<\dfrac4{(n+1)\ln(n+1)}\int_1^{\frac{n^2+2n+2}{n+2}}(-\ln x)\,dx이고 n2\displaystyle n\ge2일 때4nlnn1n2+2n+2n+2(lnx)dx<4nlnnk=1n[{ln(k2+1k+1)}{k2+2k1(k+1)2}]=an1\displaystyle \dfrac4{n\ln n}\int_1^{\frac{n^2+2n+2}{n+2}}(-\ln x)\,dx<-\dfrac4{n\ln n}\sum_{k=1}^n\left[\left\{\ln\left(\dfrac{k^2+1}{k+1}\right)\right\}\left\{\dfrac{k^2+2k-1}{(k+1)^2}\right\}\right]=a_{n-1}이다. 부분적분법에 의해 (lnx)dx=xlnx+1dx=x(lnx1)+C\displaystyle \int(-\ln x)\,dx=-x\ln x+\int1\,dx=-x(\ln x-1)+C이다. (C\displaystyle C는 적분상수)따라서, 1n2+2n+2n+2(lnx)dx=n2+2n+2n+2(lnn2+2n+2n+21)1\displaystyle \int_1^{\frac{n^2+2n+2}{n+2}}(-\ln x)\,dx=-\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}\left(\ln\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}-1\right)-1이다.bn=4(n+1)ln(n+1){n2+2n+2n+2(lnn2+2n+2n+21)+1}(n1),\displaystyle b_n=-\dfrac4{(n+1)\ln(n+1)}\left\{\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}\left(\ln\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}-1\right)+1\right\}\quad(n\ge1),cn1=4nlnn{n2+2n+2n+2(lnn2+2n+2n+21)+1}(n2)\displaystyle c_{n-1}=-\dfrac4{n\ln n}\left\{\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}\left(\ln\dfrac{n^2+2n+2}{n+2}-1\right)+1\right\}\quad(n\ge2)이라 하면 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 cn<an<bn\displaystyle c_n<a_n<b_n이 성립한다.

+10점 · limnbn=4\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=-4, limncn=4\displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n=-4를 구한다. (각 5점) +5점 · limnan=4\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=-4를 구한다.

이때, limnbn=(4)limn{n2+2n+2(n+1)(n+2)(lnn2+2n+2(n+2)(n+1)(n+1)ln(n+1)1ln(n+1))+1(n+1)ln(n+1)}=(4)limn{n2+2n+2(n+1)(n+2)(lnn2+2n+2(n+2)(n+1)ln(n+1)+11ln(n+1))+1(n+1)ln(n+1)}=4\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}b_n&=(-4)\lim_{n\to\infty}\left\{\dfrac{n^2+2n+2}{(n+1)(n+2)}\left(\dfrac{\ln\dfrac{n^2+2n+2}{(n+2)(n+1)}(n+1)}{\ln(n+1)}-\dfrac1{\ln(n+1)}\right)+\dfrac1{(n+1)\ln(n+1)}\right\}\\&=(-4)\lim_{n\to\infty}\left\{\dfrac{n^2+2n+2}{(n+1)(n+2)}\left(\dfrac{\ln\dfrac{n^2+2n+2}{(n+2)(n+1)}}{\ln(n+1)}+1-\dfrac1{\ln(n+1)}\right)+\dfrac1{(n+1)\ln(n+1)}\right\}\\&=-4\end{aligned}이고limncn=(4)limn{(n+1)2+2(n+1)+2(n+1)(n+3)(ln(n+1)2+2(n+1)+2(n+3)(n+1)(n+1)ln(n+1)1ln(n+1))+1(n+1)ln(n+1)}=(4)limn{(n+1)2+2(n+1)+2(n+1)(n+3)(ln(n+1)2+2(n+1)+2(n+3)(n+1)ln(n+1)+11ln(n+1))+1(n+1)ln(n+1)}=4\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}c_n&=(-4)\lim_{n\to\infty}\left\{\dfrac{(n+1)^2+2(n+1)+2}{(n+1)(n+3)}\left(\dfrac{\ln\dfrac{(n+1)^2+2(n+1)+2}{(n+3)(n+1)}(n+1)}{\ln(n+1)}-\dfrac1{\ln(n+1)}\right)+\dfrac1{(n+1)\ln(n+1)}\right\}\\&=(-4)\lim_{n\to\infty}\left\{\dfrac{(n+1)^2+2(n+1)+2}{(n+1)(n+3)}\left(\dfrac{\ln\dfrac{(n+1)^2+2(n+1)+2}{(n+3)(n+1)}}{\ln(n+1)}+1-\dfrac1{\ln(n+1)}\right)+\dfrac1{(n+1)\ln(n+1)}\right\}\\&=-4\end{aligned}이므로 수열의 극한의 대소관계에 의해 limnan=4\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=-4이다.

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