수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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+2점 · y=sin(πx)=sinx, y=sin(π2+x)=cosx\displaystyle y=\sin(\pi-x)=\sin x,~y=\sin(\dfrac\pi2+x)=\cos x임을 보이면

[1]

(1) y=sin(πx)=sin{π+(x)}=sin(x)=sinx, y=sin(π2+x)=cosx\displaystyle y= {\sin } (\pi -x)= {\sin } \left\{\pi +(-x) \right\}=- {\sin } (-x)= {\sin } x,~ y= {\sin } \left (\frac{\pi }{2}+x \right )= {\cos } x이므로 sinx=cosx\displaystyle {\sin } x= {\cos } x일 때 tanx=1\displaystyle \tan x=1이고, y\displaystyle y축에 가장 가까운 교점은 A(π4, 22)\displaystyle \mathrm{A} \left (\frac{\pi }{4},~ \frac{\sqrt {2}}{2} \right )

+4점 · 교점 A(π4,22)\displaystyle \left(\dfrac\pi4,\dfrac{\sqrt2}2\right)y\displaystyle y절편 2(4+π)8\displaystyle \dfrac{\sqrt2(4+\pi)}82(4π)8\displaystyle \dfrac{\sqrt2(4-\pi)}8를 구하면

f(x)=sinx, g(x)=cosx\displaystyle f(x)= {\sin } x,~ g(x)= {\cos } x라고 놓으면 f(x)=cosx, g(x)=sinx\displaystyle f^{\prime}(x)= {\cos } x,~ g^{\prime}(x)=- {\sin } x이므로

f(π4)=22, g(π4)=22\displaystyle f^{\prime} \left (\frac{\pi }{4} \right )=\frac{\sqrt {2}}{2},~ g^{\prime} \left (\frac{\pi }{4} \right )=-\frac{\sqrt {2}}{2}

곡선 y=cosx\displaystyle y= {\cos } x위의 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서 접선은 y22=22(xπ4)\displaystyle y-\frac{\sqrt {2}}{2}=-\frac{\sqrt {2}}{2} \left (x-\frac{\pi }{4} \right )이고, y\displaystyle y절편은 2(4+π)8\displaystyle \frac{\sqrt {2}(4+\pi )}{8} \cdots \cdots

곡선 y=sinx\displaystyle y=\sin x위의 점 A에서 접선은 y22=22(xπ4)\displaystyle y-\dfrac{\sqrt2}2=\dfrac{\sqrt2}2\left(x-\dfrac\pi4\right)이고, y\displaystyle y절편은 2(4π)8\displaystyle \dfrac{\sqrt2(4-\pi)}8 ⋯⋯②

①에서 ②를 빼면 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 길이는 BC=2π4 \displaystyle \overline{BC}=\frac{\sqrt {2} \pi }{4} ~ \cdots \cdots

+2점 · 삼각형의 넓이 2π232\displaystyle \dfrac{\sqrt2\pi^2}{32}을 얻으면

따라서 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는 12×2π4×π4=2π232\displaystyle \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt {2} \pi }{4} \times \frac{\pi }{4}=\frac{\sqrt {2} \pi ^{2}}{32}

+2점 · b=6π8, c=6π8\displaystyle b=\dfrac{\sqrt6\pi}8,~c=\dfrac{\sqrt6\pi}8를 구하면

(2) 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서 변 BC, AC, AB\displaystyle \mathrm{BC},~ \mathrm{AC},~ \mathrm{AB}의 길이를 각각 a, b, c\displaystyle a,~ b,~ c라고 하면

③에서 a=2π4\displaystyle a=\frac{\sqrt {2} \pi }{4}이고, 변의 길이를 구하면 b=6π8, c=6π8\displaystyle b=\frac{\sqrt {6} \pi }{8},~ c=\frac{\sqrt {6} \pi }{8}

+3점 · sinA=223\displaystyle \sin A=\dfrac{2\sqrt2}3R=3π16\displaystyle R=\dfrac{3\pi}{16}을 얻으면

코사인법칙을 이용하여 cosA\displaystyle {\cos } A를 구하면 cosA=b2+c2a22bc=13\displaystyle {\cos } A=\frac{b^{2}+c^{2}-a^{2}}{2 b c}=\frac{1}{3}

sin2A+cos2A=1\displaystyle {\sin } ^{2} A+ {\cos } ^{2} A=1이고 A\displaystyle A는 삼각형의 한 각의 크기이므로 sinA=1cos2A=223\displaystyle {\sin } A=\sqrt {1- {\cos } ^{2} A}=\frac{2 \sqrt {2}}{3}

사인법칙을 이용하여 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서 외접원의 반지름 R\displaystyle R을 구하면

R=a2sinA=2π4423=3π16\displaystyle R=\frac{a}{2 {\sin } A}=\frac{\frac{\sqrt {2} \pi }{4}}{\frac{4 \sqrt {2}}{3}}=\frac{3 \pi }{16}

+1점 · n=1\displaystyle n=1일 때 증명하면

[2]

(1) (i) n=1\displaystyle n=1일 때 (좌변)=1!=1\displaystyle =1!=1, (우변)=20=1\displaystyle =2^0=1

이므로 n=1\displaystyle n=1일 때 주어진 부등식이 성립한다.

+4점 · n=k\displaystyle n=k일 때 부등식이 성립한다고 가정하고 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 증명하면

( ii ) n=k\displaystyle n=k일 때 주어진 부등식이 성립한다고 가정하면

k!2k1\displaystyle k ! \ge 2^{k-1} \displaystyle \cdots \cdots① 이므로

①의 양변에 k+1\displaystyle k+1을 곱하면 k1\displaystyle k \ge 1이므로 (k+1)!=k!(k+1)2k1(k+1)2k12=2k\displaystyle (k+1) ! =k !(k+1) \ge 2^{k-1}(k+1) \ge 2^{k-1} 2=2^{k}

따라서 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때에도 주어진 부등식이 성립한다.

그러므로 주어진 부등식은 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 성립한다.

+4점 · 1an<2\displaystyle 1\le a_n<2임을 보이면

(2) (1)의 부등식을 이용하면 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여

an=1+12!+13!++1n!1+12+122++12n1\displaystyle a_{n}=1+\frac{1}{2 !}+\frac{1}{3 !}+ \cdots +\frac{1}{n !} \le 1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{2}}+ \cdots +\frac{1}{2^{n-1}} \displaystyle \cdots \cdots

②의 등비수열의 항은 양수이므로

1+12+122++12n1<n=012n=1112=2\displaystyle 1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^{2}}+ \cdots +\frac{1}{2^{n-1}}<\sum _{n=0}^{\infty } \frac{1}{2^{n}}=\frac{1}{1-\frac{1}{2}}=2 \displaystyle \cdots \cdots

②와 ③으로부터 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 1an<2\displaystyle 1 \le a_{n}<2

+2점 · m=2023\displaystyle m=-2023을 얻으면

따라서 2023a20242024<2022\displaystyle -2023 \le a_{2024}-2024< -2022이므로 m=2023\displaystyle m=-2023이다.

+2점 · limxf(x)=\displaystyle\lim_{x\to\infty}f(x)=\infty이고 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이어야 함을 언급하면

[3]

(1) f(x)\displaystyle f(x)의 역함수가 존재하려면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 일대일대응이어야 한다.

limxf(x)=\displaystyle \lim _{x \to \infty } f(x)=\infty이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이어야 한다.

+3점 · limxf(x)=\displaystyle\lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=\inftylimxf(x)=k\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f^{\prime}(x)=k임을 보이면

g(x)=f(x)\displaystyle g(x)=f^{\prime}(x)라고 놓으면 g(x)=ex+1{x2+(n+2)x+1}+k\displaystyle g(x)=e^{x+1} \left\{x^{2}+(n+2) x+1 \right\}+k

limxx2ex=limxxex=limxex=\displaystyle \lim _{x \to \infty } x^{2} e^{x}=\lim _{x \to \infty } x e^{x}=\lim _{x \to \infty } e^{x}=\infty이므로 limxg(x)=\displaystyle \lim _{x \to \infty } g(x)=\infty

x=t\displaystyle x=-t라고 놓으면 limxx2ex=limtt2et=0\displaystyle \lim _{x \to -\infty } x^{2} e^{x}=\lim _{t \to \infty } \frac{t^{2}}{e^{t}}=0이고, 같은 방법으로 limxxex=0\displaystyle \lim _{x \to -\infty } x e^{x}=0이므로 limxg(x)=k\displaystyle \lim _{x \to -\infty } g(x)=k

+4점 · f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 최솟값을 갖는 점 x=1\displaystyle x=-1을 구하면

g(x)=ex+1{x2+(n+4)x+n+3}=ex+1(x+1)(x+n+3)\displaystyle g^{\prime}(x)=e^{x+1} \left\{x^{2}+(n+4) x+n+3 \right\}=e^{x+1}(x+1)(x+n+3)이므로

g(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0에서 x=n3\displaystyle x=-n-3또는 x=1\displaystyle x=-1

함수 g(x)\displaystyle g(x)의 증가와 감소를 나타내는 표를 만들면 다음과 같다.

대학 원본의 역함수 존재 조건을 위한 도함수 증감표
+2점 · k\displaystyle k의 범위와 an=n\displaystyle a_n=n을 얻으면

x=1\displaystyle x=-1에서 g(x)\displaystyle g(x)는 최솟값을 갖는다.

g(1)=n+k0\displaystyle g(-1)=-n+k \ge 0이면 f(x)=g(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)=g(x) \ge 0(등호는 x=1\displaystyle x=-1일 때만 성립)

이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수다.

따라서 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수가 존재하는 범위는 kn\displaystyle k \ge n이고, 실수 k\displaystyle k의 최솟값은 an=n\displaystyle a_{n}=n

+2점 · n\displaystyle n항까지의 부분합 Sn\displaystyle S_n을 구하면

(2) 주어진 급수의 n\displaystyle n항까지의 부분합을 Sn\displaystyle S_{n}이라고 하자.

1an(an+1)(an+2)=1n(n+1)(n+2)=12{1n(n+1)1(n+1)(n+2)}\displaystyle \frac{1}{a_{n} \left (a_{n}+1 \right ) \left (a_{n}+2 \right )}=\frac{1}{n(n+1)(n+2)}=\frac{1}{2} \left\{\frac{1}{n(n+1)}-\frac{1}{(n+1)(n+2)} \right\}이므로

Sn=k=1n12{1k(k+1)1(k+1)(k+2)}=12{121(n+1)(n+2)}\displaystyle S_{n}=\sum _{k=1}^{n} \frac{1}{2} \left\{\frac{1}{k(k+1)}-\frac{1}{(k+1)(k+2)} \right\}=\frac{1}{2} \left\{\frac{1}{2}-\frac{1}{(n+1)(n+2)} \right\}

+2점 · limnSn=14\displaystyle\lim_{n\to\infty}S_n=\dfrac14임을 보이면

따라서 limnSn=limn{1412(n+1)(n+2)}=14\displaystyle \lim _{n \to \infty } S_{n}=\lim _{n \to \infty } \left\{\frac{1}{4}-\frac{1}{2(n+1)(n+2)} \right\}=\frac{1}{4}이므로

+1점 · 급수가 수렴하고 그 합이 14\displaystyle \dfrac14임을 언급하면

주어진 급수는 수렴하고 그 합은 14\displaystyle \frac{1}{4}

+2점 · 조건 (가)의 이차방정식에서 0<k, ke\displaystyle 0<k,~k\ne e임을 보이면

[4] 조건 (가)에서 진수 조건과 이차방정식이라는 사실로부터

k>0, lnk10\displaystyle k>0,~ {\ln } k-1 \ne 0, 즉 0<k, ke\displaystyle 0<k,~ k \ne e \displaystyle \cdots \cdots

+3점 · 조건 (가)의 조건으로부터 0<k<e, e2k\displaystyle 0<k<e,~e^2\le k임을 보이면

이차방정식은 실근을 가지므로 판별식 D=4(lnk1)24(lnk1)=4(lnk1)(lnk2)0\displaystyle D=4( {\ln } k-1)^{2}-4( {\ln } k-1)=4( {\ln } k-1)( {\ln } k-2) \ge 0으로부터

lnk1, 2lnk\displaystyle {\ln } k \le 1,~2 \le {\ln } k즉, ke, e2k\displaystyle k \le e,~ e^{2} \le k \displaystyle \cdots \cdots

①과 ②로부터 0<k<e, e2k\displaystyle 0<k<e,~ e^{2} \le k \displaystyle \cdots \cdots

+4점 · 조건 (나)의 부등식으로부터 0ke\displaystyle 0\le k\le e임을 보이면

조건 (나)의 부등식에서 π2ekπ4=t\displaystyle \frac{\pi }{2 e} k-\frac{\pi }{4}=t로 놓으면

e2k3e2\displaystyle -\frac{e}{2} \le k \le \frac{3 e}{2}이므로 π2tπ2\displaystyle -\frac{\pi }{2} \le t \le \frac{\pi }{2}

부등식 2sin2t1=(2sint1)(2sint+1)0  12sint12\displaystyle 2 {\sin } ^{2} t-1=(\sqrt {2} {\sin } t-1)(\sqrt {2} {\sin } t+1) \le 0 ~\Leftrightarrow ~-\frac{1}{\sqrt {2}} \le {\sin } t \le \frac{1}{\sqrt {2}}

을 풀면 π4tπ4\displaystyle -\frac{\pi }{4} \le t \le \frac{\pi }{4}이고 π4π2ekπ4π4\displaystyle -\frac{\pi }{4} \le \frac{\pi }{2 e} k-\frac{\pi }{4} \le \frac{\pi }{4}로부터

0ke\displaystyle 0 \le k \le e \displaystyle \cdots \cdots

+1점 · k\displaystyle k의 범위 0<k<e\displaystyle 0<k<e를 얻으면

따라서 ③과 ④로부터 k\displaystyle k의 범위는 0<k<e\displaystyle 0<k<e

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