수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

부분적분법

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+5점 · f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)f(1)=0\displaystyle f^{\prime}(1)=0을 구하면

[1] f(x)=x1+x2\displaystyle f(x)=\left|\frac x{1+x^2}\right|라고 하면 이 함수는 y\displaystyle y축 대칭이다. 따라서 x>0\displaystyle x>0에서 함수의 증감표를 그려보자.

x>0\displaystyle x>0이면 f(x)=x1+x2\displaystyle f(x)=\frac x{1+x^2}이고 f(x)=1x2(1+x2)2\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{1-x^2}{(1+x^2)^2}이므로 f(1)=0\displaystyle f^{\prime}(1)=0이다.

+5점 · limxx1+x2=0, x1+x212\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{x}{1+x^2}=0,~\left|\frac{x}{1+x^2}\right|\le\frac12을 구하면

limxx1+x2=0\displaystyle \lim _{ x \to \infty } \frac{x}{ 1+x^{2} }=0이고 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 다음을 얻는다.

대학 원본 유리함수의 증감표
대학 원본 절댓값 유리함수 그래프

x1+x212\displaystyle \left|\frac x{1+x^2}\right|\le\frac12이므로 p\displaystyle p의 최솟값이 12\displaystyle \frac12이다.

+5점 · x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1와 넓이 S\displaystyle S를 구하면

[2] 타원의 방정식은 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1이다. 따라서 곡선의 식은 y=±1x24\displaystyle y=\pm\sqrt{1-\frac{x^2}4}, (2x2)\displaystyle (-2\le x\le2)이므로 빗금친 부분의 넓이

S=2331x24dx=4031x24dx\displaystyle S=2\int_{-\sqrt3}^{\sqrt3}\sqrt{1-\frac{x^2}4}\,dx=4\int_0^{\sqrt3}\sqrt{1-\frac{x^2}4}\,dx이다.

+5점 · 계산 한 적분값을 구하면

x=2cosθ\displaystyle x= 2 \cos \theta (0θπ2)\displaystyle \left ( 0 \le \theta \le \frac\pi2 \right )로 치환하면 dx=2sinθdθ\displaystyle dx = -2 \sin\theta d \theta이다. 또한

적분구간은 2cosθ=0\displaystyle 2 \cos \theta =0, 2cosθ=3\displaystyle 2 \cos \theta = \sqrt 3로부터 θ=π2\displaystyle \theta = \frac\pi2, θ=π6\displaystyle \theta = \frac\pi6이다. 따라서

S=4π2π6(2sin2θ)dθ=4π2π6(1cos2θ)dθ=3+43π\displaystyle S= 4 \int _{ \frac\pi2 } ^{\frac\pi6 } {(-2 \sin ^{2} \theta )d \theta =-4 \int _{ \frac\pi2 } ^{\frac\pi6 } (1- \cos 2\theta ) d \theta = \sqrt 3 + \frac{4}{3} \pi { } }이다.

+5점 · H\displaystyle \mathrm{H}의 좌표 (23,43,23)\displaystyle (-\frac23,\frac43,\frac23)을 구하면

[3] 직선 OB\displaystyle \mathrm{OB}의 방향 벡터 OB\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}(1,2,1)\displaystyle (-1,2,1)이므로 직선 OB\displaystyle \mathrm{OB} 위의 점 H\displaystyle \mathrm{H}의 좌표를 (t,2t,t)\displaystyle (-t,2t,t)라 하자. 직선 AH\displaystyle \mathrm{AH}의 방향 벡터 AH=(t2,2t3,t)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AH}}=(-t-2,2t-3,t)OB\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}는 수직이어야 하므로 AHOB=6t4=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OB}}=6t-4=0이다. 따라서 t=23\displaystyle t=\frac23이고 점 H\displaystyle \mathrm{H}의 좌표는 (23,43,23)\displaystyle (-\frac23,\frac43,\frac23)이다.

+5점 · OH\displaystyle \overline{\mathrm{OH}}의 길이는 263\displaystyle \frac{2\sqrt6}3을 구하면

따라서 선분 OH\displaystyle \overline{\mathrm{OH}}의 길이는 263\displaystyle \frac{2\sqrt6}3이다.

+5점 · g(x)=f(x)xcos(π2x)\displaystyle g(x)=f(x)-x-\cos(\frac\pi2x)를 정의하면

[4] g(x)=f(x)xcos(π2x)\displaystyle g(x)= f(x) -x -\cos \left ( \frac\pi2 x \right )로 정의하자.

+5점 · 양끝점에서 부호가 다름을 보이고 결론을 유도하면

g(1)=f(1)+1>0\displaystyle g(-1)=f(-1)+1>0이고 g(1)=f(1)1<0\displaystyle g(1)= f(1) -1<0이므로 사이값 정리에 의해 g(c)=f(c)ccos(π2c)=0\displaystyle g(c)= f(c)- c-\cos \left ( \frac\pi2 c \right )=0을 만족하는 c\displaystyle c(1, 1)\displaystyle (-1,~1) 사이에 적어도 하나 존재한다. 따라서 f(c)=c+cos(π2c)\displaystyle f(c) =c+ \cos \left ( \frac\pi2 c \right )c\displaystyle c(1, 1)\displaystyle (-1,~1) 사이에 적어도 하나 존재한다.

+5점 · 부분 적분법을 올바로 한번 적용하면

[5] In\displaystyle I_n에 부분 적분법을 적용하면

In=0π/2xnsinxdx=0π/2xn(cosx)dx=0π/2nxn1(cosx)dx[xncosx]0π/2=n0π/2xn1cosxdx\displaystyle I_n=\int_0^{\pi/2}x^n\sin x\,dx=\int_0^{\pi/2}x^n(-\cos x)^{\prime}\,dx=-\int_0^{\pi/2}nx^{n-1}(-\cos x)\,dx-\Biggl[x^n\cos x\Biggr]_0^{\pi/2}=n\int_0^{\pi/2}x^{n-1}\cos x\,dx이다. (단, n1\displaystyle n\ge1).

+5점 · 부분 적분법을 올바로 두 번 적용하고 답이 맞으면

위 식에 부분 적분법을 적용하면

In=n0π/2xn1(sinx)dx=n(n1)0π/2xn2sinxdx+[nxn1sinx]0π/2\displaystyle I_n=n\int_0^{\pi/2}x^{n-1}(\sin x)^{\prime}\,dx=-n(n-1)\int_0^{\pi/2}x^{n-2}\sin x\,dx+\Biggl[nx^{n-1}\sin x\Biggr]_0^{\pi/2}이다. (단, n2\displaystyle n\ge2).

여기서 0π/2xn2sinxdx\displaystyle \int_0^{\pi/2}x^{n-2}\sin x\,dxIn2\displaystyle I_{n-2}이고 [nxn1sinx]0π/2=n(π2)n1\displaystyle \Biggl[nx^{n-1}\sin x\Biggr]_0^{\pi/2}=n(\frac\pi2)^{n-1}이므로

In+n(n1)In2=n(π2)n1\displaystyle I_n+n(n-1)I_{n-2}=n(\frac\pi2)^{n-1}을 얻는다. 여기에 n=100\displaystyle n=100을 대입하면 정답은 100(π2)99\displaystyle 100(\frac\pi2)^{99}이다.

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