수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 중심이 원점 O(0,0)\displaystyle \mathrm{O}(0,0)이고 반지름의 길이가 3,9,27,⋯ ,3n,⋯\displaystyle 3,9,27,\cdots,3^n,\cdots인 원이 좌표평면 위에 있다. (단, n\displaystyle n은 자연수)

(나) 좌표평면 위를 시각 t=0\displaystyle t=0에서 t=π\displaystyle t=\pi까지 점 P가 움직인다. 이 점 P의 위치 (x,y)\displaystyle (x,y)는 x=e2tcos⁡t\displaystyle x=e^{2t}\cos t, y=e2tsin⁡t\displaystyle y=e^{2t}\sin t이다.

(다) 점 P가 움직이는 동안 만난 원의 개수를 N\displaystyle N이라 하자.

(라) 필요할 경우, 1.09<ln⁡3<1.10\displaystyle 1.09<\ln3<1.10을 이용한다.

[3.1] N\displaystyle N을 구하시오.

[3.2] 점 P가 반지름의 길이가 3N\displaystyle 3^N인 원을 만날 때까지, 점 P가 움직인 거리를 구하시오.

[3.3] 급수 ∑k=N∞(−12)k−1∫k−1kπsin⁡(πx) dx\displaystyle \sum_{k=N}^\infty\left(-\frac12\right)^{k-1}\int_{k-1}^k\pi\sin(\pi x)\,dx의 합을 구하시오.

해설강의 준비중
+5점

[3.1]원점과 점 P 사이의 거리는 OP‾=(e2tcos⁡t)2+(e2tsin⁡t)2=e2t\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\sqrt{(e^{2t}\cos t)^2+(e^{2t}\sin t)^2}=e^{2t}이다. t=0\displaystyle t=0에서 t=π\displaystyle t=\pi일 때까지 점 P가 움직이므로, t=π\displaystyle t=\pi일 때 원점과 점 P 사이의 거리 e2π\displaystyle e^{2\pi}이 원의 반지름의 길이 3N\displaystyle 3^N 이상이 되는 최대 자연수 N\displaystyle N을 구하자.3N≤e2π\displaystyle 3^N\leq e^{2\pi}

+5점

⇒Nln⁡3≤2π⇒N≤2πln⁡3\displaystyle \Rightarrow N\ln3\leq2\pi\Rightarrow N\leq\frac{2\pi}{\ln3}이고, 주어진 조건 1.09<ln⁡3<1.10\displaystyle 1.09<\ln3<1.10에서 2π1.10<2πln⁡3<2π1.09\displaystyle \frac{2\pi}{1.10}<\frac{2\pi}{\ln3}<\frac{2\pi}{1.09}이므로 5<2πln⁡3<6\displaystyle 5<\frac{2\pi}{\ln3}<6임을 알 수 있다.따라서 N=5\displaystyle N=5이다.

+4점

[3.2]점 P가 마지막으로 만난 원의 반지름의 길이가 35\displaystyle 3^5이므로, 이때의 시각 t\displaystyle t를 구하면 다음과 같다.e2t=35⇒t=52ln⁡3\displaystyle e^{2t}=3^5\Rightarrow t=\frac52\ln3

+9점

또한 dxdt=2e2tcos⁡t−e2tsin⁡t\displaystyle \frac{dx}{dt}=2e^{2t}\cos t-e^{2t}\sin t, dydt=2e2tsin⁡t+e2tcos⁡t\displaystyle \frac{dy}{dt}=2e^{2t}\sin t+e^{2t}\cos t이고(dxdt)2+(dydt)2=4e4t+e4t=5e2t\displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}=\sqrt{4e^{4t}+e^{4t}}=\sqrt5e^{2t}이므로 점 P가 움직인 거리는∫052ln⁡35e2t dt=5[e2t2]052ln⁡3=52(243−1)=1215\displaystyle \int_0^{\frac52\ln3}\sqrt5e^{2t}\,dt=\sqrt5\Biggl[\frac{e^{2t}}2\Biggr]_0^{\frac52\ln3}=\frac{\sqrt5}2(243-1)=121\sqrt5이다.

+5점 · 정적분을 계산하면 ∫k−1kπsin⁡(πx) dx=[−cos⁡(πx)]k−1k=2(−1)k−1\displaystyle \int_{k-1}^k\pi\sin(\pi x)\,dx=\Biggl[-\cos(\pi x)\Biggr]_{k-1}^k=2(-1)^{k-1}

[3.3]정적분을 계산하면∫k−1kπsin⁡(πx) dx=[−cos⁡(πx)]k−1k=−cos⁡(kπ)+cos⁡(k−1)π=2(−1)k−1\displaystyle \int_{k-1}^k\pi\sin(\pi x)\,dx=\Biggl[-\cos(\pi x)\Biggr]_{k-1}^k=-\cos(k\pi)+\cos(k-1)\pi=2(-1)^{k-1}

+5점

이고 N=5\displaystyle N=5이므로∑k=5∞(−12)k−1×{2(−1)k−1}=∑k=5∞(12)k−2=181−12=14\displaystyle \sum_{k=5}^\infty\left(-\frac12\right)^{k-1}\times\{2(-1)^{k-1}\}=\sum_{k=5}^\infty\left(\frac12\right)^{k-2}=\frac{\frac18}{1-\frac12}=\frac14이다.

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