수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

(가)다항함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 임의의 정수 m,n,c\displaystyle m,n,c에 대하여 그래프의 평행이동과 대칭이동을 이용하면 다음의 결과를 얻을 수 있다.mnf(x)dx=mcncf(x+c)dx,mnf(x)dx=nmf(x)dx\displaystyle \int_m^n f(x)\,dx=\int_{m-c}^{n-c}f(x+c)\,dx,\qquad\int_m^n f(x)\,dx=\int_{-n}^{-m}f(-x)\,dx마찬가지로, k=mnf(k)\displaystyle \sum_{k=m}^n f(k)도 위와 유사한 성질을 만족한다.

(나)미분의 곱의 법칙을 이용하면 다항함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 다음과 같은 공식을 얻을 수 있다.abf(x)g(x)dx=[f(x)g(x)]ababf(x)g(x)dx\displaystyle \int_a^b f^{\prime}(x)g(x)\,dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b f(x)g^{\prime}(x)\,dx

(다)연속함수 fn(x)\displaystyle f_n(x) (n=0,1,2,\displaystyle n=0,1,2,\cdots)에 대하여n=0(abfn(x)dx)=ab(n=0fn(x))dx\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}\left(\int_a^b f_n(x)\,dx\right)=\int_a^b\left(\sum_{n=0}^{\infty}f_n(x)\right)dx가 일반적으로 성립하진 않지만, 어떤 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 존재하여 axb\displaystyle a\le x\le b인 모든 x\displaystyle x에 대하여 fn(x)an\displaystyle |f_n(x)|\le a_n이고 n=0an\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}a_n이 수렴하면 위의 등식이 성립한다.

(라)다항함수 f(x)\displaystyle f(x)f(a)=0\displaystyle f(a)=0을 만족하면 f(x)=(xa)g(x)\displaystyle f(x)=(x-a)g(x)인 다항함수 g(x)\displaystyle g(x)가 존재한다.

논제 1. (필수)

(a) 다항함수 f(x)\displaystyle f(x)가 모든 정수 n\displaystyle n에 대하여 f(n)+f(2n)=(n1)10+2(n1)2\displaystyle f(n)+f(2-n)=(n-1)^{10}+2(n-1)^2을 만족할 때, 제시문 (가)를 참고하여 극한값 limn1n11k=2nnf(k)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^{11}}\sum_{k=2-n}^n f(k)를 구하시오.

(b) 제시문 (나)의 공식을 반복 이용하여 다음 정적분의 값을 구하시오.01xn(1x)ndx\displaystyle \int_0^1x^n(1-x)^n\,dx (단, n\displaystyle n은 음이 아닌 정수이다.)

(c) 무한급수 n=02n(n!)2(2n+1)!\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}\frac{2^n(n!)^2}{(2n+1)!}을 (b)의 결과와 제시문 (다)를 이용하여 정적분 011p(x)dx\displaystyle \int_0^1\frac{1}{p(x)}\,dx의 꼴로 표시할 수 있음을 논리적으로 설명하고, 다항함수 p(x)\displaystyle p(x)를 구하시오. (단, n!=n(n1)21\displaystyle n!=n(n-1)\cdots2\cdot1이고 0!=1\displaystyle 0!=1이다.)

(d) 다항함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 극한값 limxa1(xa)3(aa+x2f(t)dta+x2xf(t)dt)\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{1}{(x-a)^3}\left(\int_a^{\frac{a+x}{2}}f(t)\,dt-\int_{\frac{a+x}{2}}^x f(t)\,dt\right)이 존재하기 위한 f(a)\displaystyle f^{\prime}(a)의 조건을 제시문 (라)를 이용하여 구하고, 그 극한값을 구하시오. (단, 로피탈의 정리를 사용하지 마시오.)

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