수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

자연수 n\displaystyle n에 대하여, 곡선 y=2exsin⁡x\displaystyle y=2e^x\sin x와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=2nπ\displaystyle x=2n\pi, x=(2n+2)π\displaystyle x=(2n+2)\pi로 둘러싸인 도형의 넓이를 An\displaystyle A_n이라 하자.

[3.1] 부정적분 ∫2exsin⁡x dx\displaystyle \int2e^x\sin x\,dx를 구하시오.

[3.2] An\displaystyle A_n을 구하시오.

[3.3] 극한값 lim⁡n→∞∑k=1n1n8{ln⁡Ak−2ln⁡(1+eπ)}7\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1{n^8}\{\ln A_k-2\ln(1+e^\pi)\}^7을 구하시오.

해설강의 준비중
+6점

[3.1]부분적분법을 적용하면∫2exsin⁡x dx=2exsin⁡x−∫2excos⁡x dx\displaystyle \int2e^x\sin x\,dx=2e^x\sin x-\int2e^x\cos x\,dx이다. 우변의 부정적분에 부분적분법을 적용하면∫2excos⁡x dx=2excos⁡x+∫2exsin⁡x dx\displaystyle \int2e^x\cos x\,dx=2e^x\cos x+\int2e^x\sin x\,dx이다.

+4점

이를 첫 번째 식에 대입하면∫2exsin⁡x dx=ex(sin⁡x−cos⁡x)+C\displaystyle \int2e^x\sin x\,dx=e^x(\sin x-\cos x)+C (단, C\displaystyle C는 적분상수)를 얻는다.

+4점

[3.2]ex>0\displaystyle e^x>0이므로, [2nπ,(2n+1)π]\displaystyle [2n\pi,(2n+1)\pi]에서 2exsin⁡x≥0\displaystyle 2e^x\sin x\geq0이고 [(2n+1)π,(2n+2)π]\displaystyle [(2n+1)\pi,(2n+2)\pi]에서 2exsin⁡x≤0\displaystyle 2e^x\sin x\leq0이다. 따라서 구하는 도형의 넓이는An=∫2nπ(2n+1)π2exsin⁡x dx−∫(2n+1)π(2n+2)π2exsin⁡x dx\displaystyle A_n=\int_{2n\pi}^{(2n+1)\pi}2e^x\sin x\,dx-\int_{(2n+1)\pi}^{(2n+2)\pi}2e^x\sin x\,dx

+4점

=[ex(sin⁡x−cos⁡x)]2nπ(2n+1)π−[ex(sin⁡x−cos⁡x)](2n+1)π(2n+2)π=e(2n+1)π+e2nπ+e(2n+2)π+e(2n+1)π=e2nπ(1+eπ)2\displaystyle \begin{aligned}&=\Biggl[e^x(\sin x-\cos x)\Biggr]_{2n\pi}^{(2n+1)\pi}-\Biggl[e^x(\sin x-\cos x)\Biggr]_{(2n+1)\pi}^{(2n+2)\pi}\\&=e^{(2n+1)\pi}+e^{2n\pi}+e^{(2n+2)\pi}+e^{(2n+1)\pi}\\&=e^{2n\pi}(1+e^\pi)^2\end{aligned}이다.

+5점

[3.3] 문항[3.2]로부터 ln⁡Ak−2ln⁡(1+eπ)=ln⁡Ak(1+eπ)2=2kπ\displaystyle \ln A_k-2\ln(1+e^\pi)=\ln\frac{A_k}{(1+e^\pi)^2}=2k\pi이므로

+10점

lim⁡n→∞∑k=1n1n8{ln⁡Ak−2ln⁡(1+eπ)}7=(2π)7lim⁡n→∞∑k=1n(kn)71n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac1{n^8}\{\ln A_k-2\ln(1+e^\pi)\}^7=(2\pi)^7\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\left(\frac kn\right)^7\frac1n이 성립한다. 정적분과 급수의 합 사이의 관계에 의하여, 구하는 극한값은(2π)7∫01x7 dx=16π7\displaystyle (2\pi)^7\int_0^1x^7\,dx=16\pi^7이다.

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