수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 근과 계수와의 관계를 이용하여 an\displaystyle a_n을 구하고, 극한값을 계산하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

1-1) y=x2\displaystyle y=x^2y=anx+1\displaystyle y=a_nx+1의 교점의 x\displaystyle x좌표를 αn\displaystyle \alpha_nβn\displaystyle \beta_n이라고 하자. (단, αn<βn\displaystyle \alpha_n<\beta_n)αn\displaystyle \alpha_nβn\displaystyle \beta_n은 이차방정식 x2anx1=0\displaystyle x^2-a_nx-1=0의 두 근이므로, 근과 계수와의 관계에 의해 αn+βn=an\displaystyle \alpha_n+\beta_n=a_nαnβn=1\displaystyle \alpha_n\beta_n=-1을 얻는다.또한, (가)의 조건으로부터 αnβn(anx+1x2)dx=n6\displaystyle \int_{\alpha_n}^{\beta_n}(a_nx+1-x^2)\,dx=\frac n6이므로,an2(βn2αn2)+(βnαn)13(βn3αn3)=n6\displaystyle \frac{a_n}2(\beta_n^2-\alpha_n^2)+(\beta_n-\alpha_n)-\frac13(\beta_n^3-\alpha_n^3)=\frac n6을 얻는다.따라서, 인수분해를 하면,an2(βnαn)(βn+αn)+(βnαn)13(βnαn)(βn2+βnαn+αn2)=n6\displaystyle \frac{a_n}2(\beta_n-\alpha_n)(\beta_n+\alpha_n)+(\beta_n-\alpha_n)-\frac13(\beta_n-\alpha_n)(\beta_n^2+\beta_n\alpha_n+\alpha_n^2)=\frac n6또는 16(βnαn)3=n6\displaystyle \frac16(\beta_n-\alpha_n)^3=\frac n6을 얻는다.이제, αn+βn=an\displaystyle \alpha_n+\beta_n=a_nαnβn=1\displaystyle \alpha_n\beta_n=-1을 적용하면, βnαn=an2+4\displaystyle \beta_n-\alpha_n=\sqrt{a_n^2+4}임을 얻을 수 있고, an2+4=n23\displaystyle a_n^2+4=\sqrt[3]{n^2}가 된다. 이를 풀면 an=(n234)1/2\displaystyle a_n=(\sqrt[3]{n^2}-4)^{1/2}을 얻을 수 있고, an2n23=n234n23\displaystyle \frac{a_n^2}{\sqrt[3]{n^2}}=\frac{\sqrt[3]{n^2}-4}{\sqrt[3]{n^2}}이다. 따라서, limnan2n23=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_n^2}{\sqrt[3]{n^2}}=1이다.

+10점 · 문항 1-1)에서 얻은 an\displaystyle a_n을 이용하여, an+12an2\displaystyle a_{n+1}^2-a_n^2을 구하고, 극한값을 계산하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

1-2) 1-1)에서 구한 an=(n234)1/2\displaystyle a_n=(\sqrt[3]{n^2}-4)^{1/2}ba=(b1/3a1/3)(b2/3+b1/3a1/3+a2/3)\displaystyle b-a=(b^{1/3}-a^{1/3})(b^{2/3}+b^{1/3}a^{1/3}+a^{2/3})을 이용하면,an+12an2=(n+1)23n23=(n+1)2n2(n+1)4/3+(n(n+1))2/3+n4/3\displaystyle a_{n+1}^2-a_n^2=\sqrt[3]{(n+1)^2}-\sqrt[3]{n^2}=\frac{(n+1)^2-n^2}{(n+1)^{4/3}+(n(n+1))^{2/3}+n^{4/3}}이 된다.따라서,limnn3×(an+12an2)=limnn3(2n+1)(n+1)4/3+(n(n+1))2/3+n4/3=23\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt[3]n\times(a_{n+1}^2-a_n^2)=\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt[3]n(2n+1)}{(n+1)^{4/3}+(n(n+1))^{2/3}+n^{4/3}}=\frac23.

+10점 · 근과 계수와의 관계를 이용하여 bn\displaystyle b_n을 구하고, 극한값을 계산하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

1-3) y=x2\displaystyle y=x^2y=bnx+1\displaystyle y=b_nx+1의 교점의 x\displaystyle x좌표를 αn\displaystyle \alpha_nβn\displaystyle \beta_n이라고 하자. (단, αn<βn\displaystyle \alpha_n<\beta_n) 그러면, αn\displaystyle \alpha_nβn\displaystyle \beta_nx2bnx1=0\displaystyle x^2-b_nx-1=0의 두 근이 되므로, 근과 계수와의 관계에 의해 αn+βn=bn\displaystyle \alpha_n+\beta_n=b_nαnβn=1\displaystyle \alpha_n\beta_n=-1을 얻는다. 또한, (나)의 조건으로부터 (βnαn)2+(βn2αn2)2=n2\displaystyle (\beta_n-\alpha_n)^2+(\beta_n^2-\alpha_n^2)^2=n^2이므로, 인수분해 공식을 활용하여 (βnαn)2{1+(βn+αn)2}=n2\displaystyle (\beta_n-\alpha_n)^2\{1+(\beta_n+\alpha_n)^2\}=n^2을 얻는다. 이제, αn+βn=bn\displaystyle \alpha_n+\beta_n=b_nαnβn=1\displaystyle \alpha_n\beta_n=-1을 대입하면, (bn2+4)(bn2+1)=n2\displaystyle (b_n^2+4)(b_n^2+1)=n^2를 얻을 수 있다.따라서, limnbn2n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n^2}n=1이다.

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