수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+6점 · 내적의 정의를 활용하여 주어진 조건에 해당하는 두 벡터의 내적을 정확히 구하고, 그 과정이 논리적이면 좋은 점수를 부여함

3-1) bi=2sinπin+1\displaystyle |\vec b_i|=2\sin\frac{\pi i}{n+1}이고 두 벡터 bi, bj\displaystyle \vec b_i,\ \vec b_j의 사이각은 π(ij)n+1\displaystyle \left|\frac{\pi(i-j)}{n+1}\right|이다. 따라서bibj=(2sinπn+1i)(2sinπn+1j)cosπn+1(ij)=(2sinπn+1i)(2sinπn+1j)(cosπn+1icosπn+1j+sinπn+1isinπn+1j)\displaystyle \begin{aligned}\vec b_i\cdot\vec b_j&=\left(2\sin\frac{\pi}{n+1}i\right)\left(2\sin\frac{\pi}{n+1}j\right)\cos\frac{\pi}{n+1}(i-j)\\&=\left(2\sin\frac{\pi}{n+1}i\right)\left(2\sin\frac{\pi}{n+1}j\right)\left(\cos\frac{\pi}{n+1}i\cos\frac{\pi}{n+1}j+\sin\frac{\pi}{n+1}i\sin\frac{\pi}{n+1}j\right)\end{aligned}이다. 따라서, n=7\displaystyle n=7일 때,b2b5=(2sinπ4)(2sin5π8)cos3π8=(2sinπ4)(2cosπ8)sinπ8=(2sinπ4)sinπ4=1\displaystyle \begin{aligned}\vec b_2\cdot\vec b_5&=\left(2\sin\frac\pi4\right)\left(2\sin\frac{5\pi}8\right)\cos\frac{3\pi}8\\&=\left(2\sin\frac\pi4\right)\left(2\cos\frac\pi8\right)\sin\frac\pi8\\&=\left(2\sin\frac\pi4\right)\sin\frac\pi4\\&=1\end{aligned}을 얻는다.

+9점 · 조건에 맞는 각 벡터를 구하고, 내적의 정의를 활용하여 주어진 조건에 해당하는 두 벡터의 내적을 정확히 구한다. 정적분과 급수 사이의 관계 등을 이용하여 주어진 급수의 값을 구한다. 그 과정이 논리적이면 좋은 점수를 부여함

3-2) 3-1)에서 얻어진 공식b1bi=(2sinπn+1)(2sinπin+1)(cosπn+1cosπin+1+sinπn+1sinπin+1)\displaystyle \vec b_1\cdot\vec b_i=\left(2\sin\frac{\pi}{n+1}\right)\left(2\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)\left(\cos\frac{\pi}{n+1}\cos\frac{\pi i}{n+1}+\sin\frac{\pi}{n+1}\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)로 부터b1(i=1nbi)=(i=1n(sin2πn+1)sin2πin+1)+4(i=1n(sinπn+1)2(sinπin+1)2)\displaystyle \vec b_1\cdot\left(\sum_{i=1}^n\vec b_i\right)=\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{2\pi}{n+1}\right)\sin\frac{2\pi i}{n+1}\right)+4\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{\pi}{n+1}\right)^2\left(\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)^2\right)을 얻는다. 따라서limnb1(i=1nbi)=limn(i=1n(sin2πn+1)sin2πin+1)+4limn(i=1n(sinπn+1)2(sinπin+1)2)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\vec b_1\cdot\left(\sum_{i=1}^n\vec b_i\right)=\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{2\pi}{n+1}\right)\sin\frac{2\pi i}{n+1}\right)+4\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{\pi}{n+1}\right)^2\left(\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)^2\right)이다. 여기서,limn(i=1n(sin2πn+1)sin2πin+1)=(limn(sin2πn+11n+1))(limni=1n(sin2πin+1)1n+1)=2π01sin2πxdx=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{2\pi}{n+1}\right)\sin\frac{2\pi i}{n+1}\right)&=\left(\lim_{n\to\infty}\left(\frac{\sin\frac{2\pi}{n+1}}{\frac1{n+1}}\right)\right)\left(\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{2\pi i}{n+1}\right)\frac1{n+1}\right)\\&=2\pi\int_0^1\sin2\pi x\,dx=0\end{aligned}이다. 또한 (i=1n(sinπn+1)2(sinπin+1)2)n(sinπn+1)2\displaystyle \left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{\pi}{n+1}\right)^2\left(\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)^2\right)\le n\left(\sin\frac{\pi}{n+1}\right)^2로 부터limn(i=1n(sinπn+1)2(sinπin+1)2)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\sum_{i=1}^n\left(\sin\frac{\pi}{n+1}\right)^2\left(\sin\frac{\pi i}{n+1}\right)^2\right)=0을 얻는다. 따라서, limnb1(i=1nbi)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\vec b_1\cdot\left(\sum_{i=1}^n\vec b_i\right)=0이다.

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