수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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[3.1] x=1\displaystyle x=1을 대입하면f(1)=limnsink+11+cosπ2+1=sink+12\displaystyle f(1)=\lim_{n\to\infty}\frac{\sin k+1}{1+\cos\frac\pi2+1}=\frac{\sin k+1}2이다.

[3.2] 분모와 분자를 xn\displaystyle x^n으로 나누면f(x)=limnxsinkx+1xn11+1xn1cosπx2+1xn\displaystyle f(x)=\lim_{n\to\infty}\frac{x\sin kx+\frac1{x^{n-1}}}{1+\frac1{x^{n-1}}\cos\frac{\pi x}2+\frac1{x^n}}이다. x>1\displaystyle x>1이므로 제시문 (나)에 의하여 limn1xn1=limn1xn=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{x^{n-1}}=\lim_{n\to\infty}\frac1{x^n}=0이고, 제시문 (가)에 의하여 limn1xn1cosπx2=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{x^{n-1}}\cos\frac{\pi x}2=0이므로 f(x)=xsinkx\displaystyle f(x)=x\sin kx이다.

[3.3] 1<x2\displaystyle 1<x\leq2에서는 연속이므로 x=1\displaystyle x=1에서 연속이 되도록 k\displaystyle k값을 구하면 된다. x=1\displaystyle x=1에서 연속이려면 limx1+f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x\to1+}f(x)=f(1)이어야 하므로limx1+xsinkx=sink=sink+12\displaystyle \lim_{x\to1+}x\sin kx=\sin k=\frac{\sin k+1}2이다. 따라서 sink=1\displaystyle \sin k=1이고 k=π2\displaystyle k=\frac\pi2이다.

[3.4] f(x)=xsinπx2\displaystyle f(x)=x\sin\frac{\pi x}2이므로 구하는 넓이는S=12xsinπx2dx\displaystyle S=\int_1^2x\sin\frac{\pi x}2\,dx이다. 부분적분하면S=[x(2πcosπx2)]1212(2πcosπx2)dx=[2πxcosπx2+(2π)2sinπx2]12=4π4π2\displaystyle \begin{aligned}S&=\Biggl[x\cdot\left(-\frac2\pi\cos\frac{\pi x}2\right)\Biggr]_1^2-\int_1^2\left(-\frac2\pi\cos\frac{\pi x}2\right)\,dx\\&=\Biggl[-\frac2\pi x\cos\frac{\pi x}2+\left(\frac2\pi\right)^2\sin\frac{\pi x}2\Biggr]_1^2=\frac4\pi-\frac4{\pi^2}\end{aligned}이다.

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