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자연계 2교시 수학2

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문제

[수학 2]다음 <제시문1> ~ <제시문3>을 읽고 [수학2-ⅰ] ~ [수학2-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>함수 f(x)\displaystyle f(x)를 다음과 같이 정의하자.f(x)={x(x≥0)−−x(x<0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\sqrt{x}&(x\ge0)\\-\sqrt{-x}&(x<0)\end{cases}

<제시문2>양의 정수 n\displaystyle n과 <제시문1>에 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여, 두 곡선 y=f(nx)\displaystyle y=f(nx), y=f(nx−1)\displaystyle y=f(nx-1)과 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=1\displaystyle x=1로 둘러싸인 영역의 넓이를 an\displaystyle a_n이라 하자.

<제시문3>양의 정수 n\displaystyle n과 <제시문1>에 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여, 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 g(x)=f(x−2n)−f(x−n)+f(n)\displaystyle g(x)=f(x-2n)-f(x-n)+f(n)으로 정의하자. 이때 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 영역의 넓이를 bn\displaystyle b_n이라 하자.

[수학2-ⅰ] <제시문2>에 주어진 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항을 n\displaystyle n에 대한 식으로 표현한 후, lim⁡n→∞annr=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n\sqrt{n^r}=1이 되도록 하는 양의 정수 r\displaystyle r의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학2-ⅱ] <제시문3>에 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 증가하는 구간과 감소하는 구간을 표로 나타낸 후, 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 최솟값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학2-ⅲ] <제시문3>에 주어진 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 일반항을 n\displaystyle n에 대한 식으로 표현한 후, 수열 {bnns}\displaystyle \left\{\frac{b_n}{n^s}\right\}이 수렴하기 위한 실수 s\displaystyle s의 값의 범위와 그때의 극한값을 구하고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중
+12점 · 영역의 넓이와 관련한 수열을 적분식으로 제대로 표현하고, 적분법을 활용하여 계산한 후에, 이 수열과 관련한 극한값을 제대로 구하였는지 평가한다.

[수학2-ⅰ]an=∫01(f(nx)−f(nx−1))dx=∫01f(nx)dx−∫01/nf(nx−1)dx−∫1/n1f(nx−1)dx=∫01nx dx+∫01/n1−nx dx−∫1/n1nx−1 dx=[23n(nx)32]01+[−23n(1−nx)32]01/n−[23n(nx−1)32]01/n=23n−23n(n−1)n−1+23n\displaystyle \begin{aligned}a_n&=\int_0^1(f(nx)-f(nx-1))dx=\int_0^1f(nx)dx-\int_0^{1/n}f(nx-1)dx-\int_{1/n}^1f(nx-1)dx\\&=\int_0^1\sqrt{nx}\,dx+\int_0^{1/n}\sqrt{1-nx}\,dx-\int_{1/n}^1\sqrt{nx-1}\,dx\\&=\Biggl[\frac{2}{3n}(nx)^{\frac32}\Biggr]_0^1+\Biggl[-\frac{2}{3n}(1-nx)^{\frac32}\Biggr]_0^{1/n}-\Biggl[\frac{2}{3n}(nx-1)^{\frac32}\Biggr]_0^{1/n}\\&=\frac23\sqrt n-\frac{2}{3n}(n-1)\sqrt{n-1}+\frac{2}{3n}\end{aligned}Correction. 마지막 대괄호의 대입 구간은 0\displaystyle 0부터 1/n\displaystyle 1/n까지가 아니라 1/n\displaystyle 1/n부터 1\displaystyle 1까지이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서annr=(23nn−(n−1)n−1+1n)nr=23(n−(1−1n)n−1+1n)nr=23(n−n−1+1nn−1+1n)nr=23(1n+n−1+1nn−1+1n)nr=23(nrn+n−1+n−1n2−r+1n2−r)\displaystyle \begin{aligned}a_n\sqrt{n^r}&=\left(\frac23\frac{n\sqrt n-(n-1)\sqrt{n-1}+1}{n}\right)\sqrt{n^r}=\frac23\left(\sqrt n-\left(1-\frac1n\right)\sqrt{n-1}+\frac1n\right)\sqrt{n^r}\\&=\frac23\left(\sqrt n-\sqrt{n-1}+\frac1n\sqrt{n-1}+\frac1n\right)\sqrt{n^r}=\frac23\left(\frac1{\sqrt n+\sqrt{n-1}}+\frac1n\sqrt{n-1}+\frac1n\right)\sqrt{n^r}\\&=\frac23\left(\frac{\sqrt{n^r}}{\sqrt n+\sqrt{n-1}}+\frac{\sqrt{n-1}}{\sqrt{n^{2-r}}}+\frac1{\sqrt{n^{2-r}}}\right)\end{aligned}

이므로 r=1\displaystyle r=1인 경우에 수렴하게 되고, 그 때 극한값은 1\displaystyle 1이 된다.

+10점 · 도함수를 활용하여 함수의 증가하는 구간과 감소하는 구간을 제대로 구하고, 이로부터 극값을 제대로 구하였는지 평가한다.

[수학2-ⅱ]x>2n\displaystyle x>2n인 경우, g(x)=x−2n−x−n+n\displaystyle g(x)=\sqrt{x-2n}-\sqrt{x-n}+\sqrt n이므로,g′(x)=12x−2n−12x−n>0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{2\sqrt{x-2n}}-\frac1{2\sqrt{x-n}}>0이 되어, 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 증가하게 된다.3n2<x<2n\displaystyle \frac{3n}{2}<x<2n인 경우, g(x)=−2n−x−x−n+n\displaystyle g(x)=-\sqrt{2n-x}-\sqrt{x-n}+\sqrt n이므로,g′(x)=122n−x−12x−n>0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{2\sqrt{2n-x}}-\frac1{2\sqrt{x-n}}>0이 되어, 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 증가하게 된다.n<x<3n2\displaystyle n<x<\frac{3n}{2}인 경우, g(x)=−2n−x−x−n+n\displaystyle g(x)=-\sqrt{2n-x}-\sqrt{x-n}+\sqrt n이므로,g′(x)=122n−x−12x−n<0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{2\sqrt{2n-x}}-\frac1{2\sqrt{x-n}}<0이 되어, 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 감소하게 된다.x<n\displaystyle x<n인 경우, g(x)=−2n−x+n−x+n\displaystyle g(x)=-\sqrt{2n-x}+\sqrt{n-x}+\sqrt n이므로,g′(x)=122n−x−12n−x<0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{2\sqrt{2n-x}}-\frac1{2\sqrt{n-x}}<0이 되어, 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 감소하게 된다.또한, lim⁡x→2ng′(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to2n}g^{\prime}(x)=\infty이고, lim⁡x→ng′(x)=−∞\displaystyle \lim_{x\to n}g^{\prime}(x)=-\infty, g′(3n2)=0\displaystyle g^{\prime}\left(\frac{3n}{2}\right)=0이므로, 이를 표로 나타내면 다음과 같다.

xx⋯nn⋯3n2\frac{3n}2⋯2n2n⋯
g′(x)g^{\prime}(x)− −0+ +
g(x)g(x)↘0↘(1−2)n(1-\sqrt2)\sqrt n↗0↗

따라서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x<3n2\displaystyle x<\frac{3n}{2}일 때 감소하고, x>3n2\displaystyle x>\frac{3n}{2}일 때 증가하게 되므로 x=3n2\displaystyle x=\frac{3n}{2}일 때, 최솟값 g(3n/2)=−2n+n\displaystyle g(3n/2)=-\sqrt{2n}+\sqrt n을 갖게 된다.

+8점 · 영역의 넓이와 관련한 수열을 적분을 활용하여 계산하고, 이 수열과 관련한 극한값을 제대로 구하였는지 평가한다.

[수학2-ⅲ]bn=−∫n2ng(x)dx=−∫n2n(−2n−x−x−n+n)dx=−[23(2n−x)32−23(x−n)32+nx]n2n=43n32−n32=13n32\displaystyle \begin{aligned}b_n&=-\int_n^{2n}g(x)dx=-\int_n^{2n}(-\sqrt{2n-x}-\sqrt{x-n}+\sqrt n)dx\\&=-\Biggl[\frac23(2n-x)^{\frac32}-\frac23(x-n)^{\frac32}+\sqrt n x\Biggr]_n^{2n}=\frac43n^{\frac32}-n^{\frac32}=\frac13n^{\frac32}\end{aligned}이므로, s≥32\displaystyle s\ge\frac32일 때, 수열 {bnns}\displaystyle \left\{\frac{b_n}{n^s}\right\}는 수렴하게 된다. s=32\displaystyle s=\frac32일 때, lim⁡n→∞bnns=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{n^s}=\frac13이 되고, s>32\displaystyle s>\frac32일 때, lim⁡n→∞bnns=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{n^s}=0이 된다.

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