수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+2점 · limn{(2n+1)ln(2n+12n1)}=limn{(2n+1)ln(1+22n1)}\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left\{(2n+1)\ln\left(\dfrac{2n+1}{2n-1}\right)\right\}=\lim_{n\to\infty}\left\{(2n+1)\ln\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)\right\}

[1] (1)

limn{(2n+1)ln(2n+12n1)}=limn{(2n+1)ln(1+22n1)}\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left\{(2n+1)\ln\left(\dfrac{2n+1}{2n-1}\right)\right\}=\lim_{n\to\infty}\left\{(2n+1)\ln\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)\right\}

+2점 · =limnln[{(1+22n1)2n12}2(1+22n1)2]\displaystyle =\lim_{n\to\infty}\ln\left[\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^{\frac{2n-1}2}\right\}^2\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^2\right]

=limnln[{(1+22n1)2n12}2(1+22n1)2]\displaystyle =\lim_{n\to\infty}\ln\left[\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^{\frac{2n-1}2}\right\}^2\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^2\right]

+2점 · =limnln{(1+22n1)2n12}2+limnln{(1+22n1)2}=2\displaystyle =\lim_{n\to\infty}\ln\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^{\frac{2n-1}2}\right\}^2+\lim_{n\to\infty}\ln\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^2\right\}=2

=limnln{(1+22n1)2n12}2+limnln{(1+22n1)2}=2\displaystyle =\lim_{n\to\infty}\ln\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^{\frac{2n-1}2}\right\}^2+\lim_{n\to\infty}\ln\left\{\left(1+\dfrac2{2n-1}\right)^2\right\}=2

+2점 · f(x)=12x+1ln(1+22x1)\displaystyle f(x)=-\dfrac1{2x+1}\ln\left(1+\dfrac2{2x-1}\right) 놓으면

(2)

bn=an2n+1=12n+1ln(1+22n1)\displaystyle b_{n}=-\frac{a_{n}}{2 n+1}=-\frac{1}{2 n+1} \ln \left (1+\frac{2}{2 n-1} \right )에서 자연수 n\displaystyle n을 실수 x\displaystyle x로 치환하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)로 표현하면 f(x)=12x+1ln(1+22x1)\displaystyle f(x)=-\frac{1}{2 x+1} \ln \left (1+\frac{2}{2 x-1} \right )

+2점 · f(x)=2(2x+1)2ln(1+22x1)+12x+1×4(2x1)21+22x1\displaystyle f^{\prime}(x)=\dfrac2{(2x+1)^2}\ln\left(1+\dfrac2{2x-1}\right)+\dfrac1{2x+1}\times\dfrac{\frac4{(2x-1)^2}}{1+\frac2{2x-1}} 도함수를 계산하면

f(x)=2(2x+1)2ln(1+22x1)+12x+1×4(2x1)21+22x1\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{2}{(2 x+1)^{2}} \ln \left (1+\frac{2}{2 x-1} \right )+\frac{1}{2 x+1} \times \frac{\frac{4}{(2 x-1)^{2}}}{1+\frac{2}{2 x-1}}

+2점 · x1\displaystyle x\ge1에서 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0임을 근거를 제시하여 진술하면

x1\displaystyle x\ge1에서 2(2x+1)2ln(1+22x1)>0\displaystyle \dfrac2{(2x+1)^2}\ln\left(1+\dfrac2{2x-1}\right)>0이고 12x+1×4(2x1)21+22x1>0\displaystyle \dfrac1{2x+1}\times\dfrac{\frac4{(2x-1)^2}}{1+\frac2{2x-1}}>0이므로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0

f(x)\displaystyle f(x)x1\displaystyle x \ge 1에서 증가함수이므로 f(x)<f(x+1)\displaystyle f(x)<f(x+1)이다.

+2점 · 앞의 계산을 이용하여 논리적으로 bn<bn+1\displaystyle b_n<b_{n+1}임을 결론 내리면

따라서 f(n)<f(n+1)\displaystyle f(n)<f(n+1)이므로 bn<bn+1\displaystyle b_{n}<b_{n+1}이다.

+2점 · 주어진 조건을 활용하여 a\displaystyle a의 값을 얻으면

[2] (1)

f(0)=f(2π)=0\displaystyle f(0)=f(2 \pi )=0이고 0x2π\displaystyle 0 \le x \le 2 \pi에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값이 1\displaystyle 1이므로 f(x)=2ax2πa=0\displaystyle f^{\prime}(x)=2 a x-2 \pi a=0x=π\displaystyle x=\pi에서 f(x)\displaystyle f(x)는 최댓값을 갖는다.

f(π)=aπ2=1\displaystyle f(\pi )=-a \pi ^{2}=1이므로 a=1π2\displaystyle a=-\frac{1}{\pi ^{2}}

+4점 · 그래프를 그리거나 좌, 우변의 부호를 비교하여 해가 존재하지 않는 근거를 올바로 제시하면

따라서 주어진 방정식은 1π2x2+2πx+cosx=xπ\displaystyle -\frac{1}{\pi ^{2}} x^{2}+\frac{2}{\pi } x+| \cos x|=-\frac{x}{\pi }

+2점 · 앞의 근거를 기반으로 올바로 결론을 도출하면

0x2π\displaystyle 0 \le x \le 2 \pi에서 좌변 f(x)+cosx>0\displaystyle f(x)+| \cos x|>0이고 우변 xπ0\displaystyle -\frac{x}{\pi } \le 0이므로 실근은 존재하지 않는다.

+3점 · g(t)=13pt+2p\displaystyle g(t)=1-\dfrac{3p}{t+2p}의 그래프의 점근선을 y=1\displaystyle y=1t=2p\displaystyle t=-2p을 얻으면

(2)

0x2π\displaystyle 0 \le x \le 2 \pi에서 f(x)=t\displaystyle f(x)=t로 치환하면 0t1\displaystyle 0 \le t \le 1이고 (gf)(x)=g(t)\displaystyle (g \circ f)(x)=g(t)g(t)=13pt+2p\displaystyle g(t)=1-\frac{3 p}{t+2 p}의 그래프의 점근선은 y=1\displaystyle y=1t=2p\displaystyle t=-2 p이다.

+3점 · 2p<0\displaystyle -2p<0인 경우를 올바로 다루면

( i ) 2p<0\displaystyle -2 p<0인 경우, p>0\displaystyle p>0

3p<0\displaystyle -3 p<0이므로 g(t)\displaystyle g(t)의 그래프는 다음과 같다.

대학 원본의 p가 양수일 때 유리함수 그래프

0t1\displaystyle 0 \le t \le 1에서 (gf)(x)=g(t)\displaystyle (g \circ f)(x)=g(t)의 최댓값과 최솟값이 모두 존재한다.

+3점 · 0<2p<1\displaystyle 0<-2p<1인 경우를 올바로 다루면

( ii ) 0<2p<1\displaystyle 0<-2 p<1인 경우, 12<p<0\displaystyle -\frac{1}{2}<p<0

대학 원본의 점근선이 구간 안에 있는 유리함수 그래프

3p>0\displaystyle -3 p>0이므로 0t1\displaystyle 0 \le t \le 1에서 (gf)(x)=g(t)\displaystyle (g \circ f)(x)=g(t)의 최댓값과 최솟값이 모두 존재하지 않는다.

+3점 · 1<2p\displaystyle 1<-2p인 경우를 올바로 다루면

( iii ) 1<2p\displaystyle 1<-2 p인 경우 p<12\displaystyle p<-\frac{1}{2}이므로 3p>32\displaystyle -3 p>\frac{3}{2}

대학 원본의 점근선이 구간 오른쪽에 있는 유리함수 그래프

0t1\displaystyle 0 \le t \le 1에서 (gf)(x)=g(t)\displaystyle (g \circ f)(x)=g(t)의 최댓값과 최솟값이 모두 존재한다.

(i),(ii),(iii)으로부터 (gf)(x)\displaystyle (g \circ f)(x)의 최댓값과 최솟값이 모두 존재하는 p\displaystyle p의 범위는 p<12\displaystyle p<-\frac{1}{2}또는 p>0\displaystyle p>0

+2점 · AB\displaystyle A\cap B의 원소의 성질에 대해 기술하면

[3] (1)

A={4nn=1, 2, }\displaystyle A= \left\{4 n | n=1,~2,~ \cdots \right\}이므로 AB\displaystyle A \cap B의 원소는 B\displaystyle B의 원소 중에서 4\displaystyle 4의 배수인 자연수이다. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6\displaystyle 0,~1,~2,~3,~4,~5,~6으로 만든 일곱 자리 자연수가 4\displaystyle 4의 배수인 경우는 끝의 두 자릿수가 각각 04, 12, 16, 20, 24, 32, 36, 40, 52, 56, 60, 64\displaystyle 04,~12,~16,~20,~24,~32,~36,~40,~52,~56,~60,~64일 때이다.

+2점 · 5!×4=480\displaystyle 5!\times4=480인 경우를 계산하면

( i ) 끝의 두 자릿수가 0\displaystyle 0을 포함하는 경우 (04, 20, 40, 60)\displaystyle (04,~20,~40,~60)

앞의 다섯 자리에는 나머지 다섯 개의 숫자를 일렬로 배열하면 되므로

5!×4=480\displaystyle 5!\times 4=480

+2점 · 4×4!×8=768\displaystyle 4\times4!\times8=768인 경우를 계산하면

(ii) 끝의 두 자릿수가 0\displaystyle 0을 포함하지 않는 경우 (12, 16, 24, 32, 36, 52, 56, 64)\displaystyle (12,~16,~24,~32,~36,~52,~56,~64)

백만 자리는 나머지 5\displaystyle 5개의 숫자 중에서 0\displaystyle 0을 제외한 네 가지가 올 수 있고,

십만, 만, 천, 백의 자리는 이미 사용한 숫자를 제외한 나머지 네 개의 숫자를 일렬로 배열하면 되므로 4×4!×8=768\displaystyle 4 \times 4!\times 8=768

+2점 · n(AB)=480+768=1248\displaystyle n(A\cap B)=480+768=1248을 얻으면

( i ), ( ii )로부터 n(AB)=480+768=1248\displaystyle n(A \cap B)=480+768=1248

+2점 · 6\displaystyle 6\square\square\square\square\square\square 형태의 자연수의 개수는 6!=720\displaystyle 6!=720임을 계산하면

(2)

집합 B\displaystyle B의 원소를 큰 수부터 차례로 세어보면 다음과 같다.

6\displaystyle 6 \square \square \square \square \square \square형태의 자연수의 개수는 6!=720\displaystyle 6! =720

5\displaystyle 5 \square \square \square \square \square \square형태의 자연수의 개수는 6!=720\displaystyle 6! =720

따라서 a1000\displaystyle a_{1000}5\displaystyle 5로 시작하는 수이다.Correction. [3](2) 예시답안의 a1000\displaystyle a_{1000}b1000\displaystyle b_{1000}의 오기이다. 문제에서는 집합 B\displaystyle B의 원소를 큰 순서로 b1,b2,\displaystyle b_1,b_2,\ldots라 정했다. 구한 값 b1000=5341206\displaystyle b_{1000}=5341206은 맞다. 원문 표기는 그대로 실었다.

+2점 · 올바른 계산을 통해 a1000\displaystyle a_{1000}은 53으로 시작하는 수임을 얻으면

56\displaystyle 56 \square \square \square \square \square형태의 자연수의 개수는 5!=120\displaystyle 5! =120

54\displaystyle 54 \square \square \square \square \square형태의 자연수의 개수는 5!=120\displaystyle 5! =120

여기까지 모두 960\displaystyle 960개이므로 a1000\displaystyle a_{1000}53\displaystyle 53으로 시작하는 수이다.

+2점 · 올바른 계산을 통해 a1000\displaystyle a_{1000}은 5341로 시작하는 수임을 얻으면

536\displaystyle 536 \square \square \square \square형태의 자연수의 개수는 4!=24\displaystyle 4! =24

여기까지가 모두 984\displaystyle 984개이므로 a1000\displaystyle a_{1000}534\displaystyle 534로 시작하는 수이다.

5346\displaystyle 5346 \square \square \square형태의 자연수의 개수는 3!=6\displaystyle 3! =6

5342\displaystyle 5342 \square \square \square형태의 자연수의 개수는 3!=6\displaystyle 3! =6

여기까지가 모두 996\displaystyle 996개이므로 a1000\displaystyle a_{1000}5341\displaystyle 5341로 시작하는 수이다.

+2점 · 올바른 계산을 통해 a1000=5341206\displaystyle a_{1000}=5341206을 얻으면

53416\displaystyle 53416 \square \square형태의 자연수의 개수는 2!=2\displaystyle 2! =2

53412\displaystyle 53412 \square \square형태의 자연수의 개수는 2!=2\displaystyle 2! =2

여기까지가 모두 1000\displaystyle 1000개이므로 a1000\displaystyle a_{1000}53412\displaystyle 53412 \square \square형태에서 나머지 0, 6\displaystyle 0,~6로 만들 수 있는 가장 작은 수이다. 따라서 a1000=5341206\displaystyle a_{1000}=5341206

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