수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 실수 r\displaystyle r는 다음 방정식의 해이다.log⁡2(1+r)+log⁡2(3−r)−4log⁡4(1−r)=log⁡215\displaystyle \log_2(1+r)+\log_2(3-r)-4\log_4(1-r)=\log_2 15

(나) 이차함수 f(x)=ax2+bx\displaystyle f(x)=ax^2+bx에 대하여, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 점 (r,1)\displaystyle (r,1)에서의 접선의 기울기는 0\displaystyle 0이다.

[3.1] 실수 r\displaystyle r의 값을 구하시오.

[3.2] 문항 [3.1]의 r\displaystyle r에 대하여 제시문의 조건을 만족하는 이차함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.

[3.3] 문항 [3.2]의 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 곡선 y=xnf(x)\displaystyle y=x^nf(x)와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

[3.1] 4log⁡4(1−r)=2log⁡2(1−r)\displaystyle 4\log_4(1-r)=2\log_2(1-r)이므로 주어진 방정식은log⁡2(1+r)+log⁡2(3−r)−2log⁡2(1−r)=log⁡215\displaystyle \log_2(1+r)+\log_2(3-r)-2\log_2(1-r)=\log_2 15이고 로그의 진수는 양수여야 하므로 −1<r<1\displaystyle -1<r<1이다. 따라서(1+r)(3−r)(1−r)2=15, −1<r<1\displaystyle \frac{(1+r)(3-r)}{(1-r)^2}=15,\ -1<r<1이다. 정리하면4r2−8r+3=(2r−1)(2r−3)=0,\displaystyle 4r^2-8r+3=(2r-1)(2r-3)=0,이므로 r=12\displaystyle r=\frac12이다.

[3.2] 점 (r,1)\displaystyle (r,1)은 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점이므로f(r)=1\displaystyle f(r)=1이고, 이점에서의 접선의 기울기가 0\displaystyle 0이므로f′(r)=0\displaystyle f^{\prime}(r)=0이다. 또한 문항 [3.1]에서 r=12\displaystyle r=\frac12이므로f(12)=1,f′(12)=0\displaystyle f\left(\frac12\right)=1,\quad f^{\prime}\left(\frac12\right)=0이다. f′(x)=2ax+b\displaystyle f^{\prime}(x)=2ax+b이므로 f′(12)=a+b=0\displaystyle f^{\prime}\left(\frac12\right)=a+b=0. 따라서 b=−a\displaystyle b=-a이다.또 f(12)=a(12)2+b(12)=1\displaystyle f\left(\frac12\right)=a\left(\frac12\right)^2+b\left(\frac12\right)=1이고, b=−a\displaystyle b=-a를 대입하면 a=−4\displaystyle a=-4이다. 따라서 f(x)=−4x2+4x\displaystyle f(x)=-4x^2+4x이다.

[3.3] 문항 [3.2]에서 f(x)=−4x2+4x\displaystyle f(x)=-4x^2+4x이므로xnf(x)=xn(−4x2+4x)=−4xn+2+4xn+1\displaystyle x^nf(x)=x^n(-4x^2+4x)=-4x^{n+2}+4x^{n+1}이다. 곡선 y=xnf(x)\displaystyle y=x^nf(x)는 x=0\displaystyle x=0, x=1\displaystyle x=1에서 x\displaystyle x축과 만나고 구간 0≤x≤1\displaystyle 0\leq x\leq1에서 f(x)≥0\displaystyle f(x)\geq0이므로Sn=∫01xnf(x) dx=∫01(−4xn+2+4xn+1) dx=4(1n+2−1n+3)\displaystyle S_n=\int_0^1x^nf(x)\,dx=\int_0^1(-4x^{n+2}+4x^{n+1})\,dx=4\left(\frac1{n+2}-\frac1{n+3}\right)이다. 급수 ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n의 부분합을 구하면∑n=1NSn=4[(13−14)+(14−15)+⋯+(1N+2−1N+3)]=4(13−1N+3)\displaystyle \sum_{n=1}^NS_n=4\left[\left(\frac13-\frac14\right)+\left(\frac14-\frac15\right)+\cdots+\left(\frac1{N+2}-\frac1{N+3}\right)\right]=4\left(\frac13-\frac1{N+3}\right)이므로∑n=1∞Sn=lim⁡N→∞4(13−1N+3)=43\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n=\lim_{N\to\infty}4\left(\frac13-\frac1{N+3}\right)=\frac43이다.

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