수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제1 (40%, 글자 수 제한 없음)

[가] 고대 그리스 시대의 수학자 아르키메데스는 도형의 면적이나 부피를 구하는데 오늘날의 적분과 유사한 방법을 사용하였다. 아르키메데스는 구분구적법을 이용하여 원, 구, 포물선의 면적과 부피를 구하는 증명을 제시하였다. 구분구적법 문제는 이후 오랫동안 별다른 진전을 보이지 못하였다가 르네상스 시기에 이르러 카발리에리가 무한의 개념을 도입하면서 진전이 있었다. 1622년 카발리에리는 곡선으로 둘러싸인 도형의 면적을 매우 폭이 좁은 직사각형들의 면적을 합한 것으로 이해할 수 있다는 착상을 내놓았다. 케플러는 포도주 통의 내측 부피를 구하기 위해 포도주 통을 이루는 입체 도형을 얇은 막들의 집합으로 파악하여 합산하였다. 이와 같은 아이디어의 축적은 미적분으로 발전하는데, 데카르트가 제시한 좌표 평면과 해석기하학의 출현은 이에 중요한 밑거름이 되었다. 뉴턴과 라이프니츠는 각각 독자적으로 미적분학을 수립하였으며 적분은 결국 미분의 역산으로 부정적분을 구하는 것과 같다는 사실을 발견하였다. 이를 미적분학의 기본정리라고 한다. 또한 미적분학의 기본정리로부터 정적분의 기본정리를 쉽게 이끌어 낼 수 있다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때 이의 정적분 ∫abf(x) dx\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx는 다음의 극한으로 정의된다.lim⁡n→∞∑k=0n−1f(a+kn(b−a))b−an\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^{n-1}f\left(a+\frac kn(b-a)\right)\frac{b-a}n

[나] 코사인, 사인 함수의 덧셈정리는 다음의 행렬에 관한 식으로 요약될 수 있다.(cos⁡α−sin⁡αsin⁡αcos⁡α)(cos⁡β−sin⁡βsin⁡βcos⁡β)=(cos⁡(α+β)−sin⁡(α+β)sin⁡(α+β)cos⁡(α+β))\displaystyle \begin{pmatrix}\cos\alpha&-\sin\alpha\\\sin\alpha&\cos\alpha\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\cos\beta&-\sin\beta\\\sin\beta&\cos\beta\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\cos(\alpha+\beta)&-\sin(\alpha+\beta)\\\sin(\alpha+\beta)&\cos(\alpha+\beta)\end{pmatrix}이로부터 탄젠트 함수의 덧셈정리, 그리고 코사인, 사인, 탄젠트 함수의 배각의 공식, 반각의 공식 등을 쉽게 이끌어 낼 수 있다.

[다] (중간값의 정리) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)≠f(b)\displaystyle f(a)\ne f(b)이면, f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)사이에 있는 임의의 값 k\displaystyle k에 대하여 f(c)=k\displaystyle f(c)=k를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.

【3-1】 제시문 [나]를 참고하여 ∑k=0n−1cos⁡kθ=12(1−cos⁡nθ)+12sin⁡θ1−cos⁡θsin⁡nθ\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}\cos k\theta=\frac12(1-\cos n\theta)+\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\sin n\theta임을 보이시오. 여기서 n\displaystyle n은 자연수이고 θ\displaystyle \theta는 0<θ<2π\displaystyle 0<\theta<2\pi인 실수이다.

【3-2】 문항 【3-1】을 참고하여 다음 등식이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 성립함을 보이시오.(1−cos⁡θ)(cos⁡(n+1)θ+cos⁡nθ)=sin⁡θ(sin⁡(n+1)θ−sin⁡nθ)(단, θ는 임의의 실수)\displaystyle (1-\cos\theta)(\cos(n+1)\theta+\cos n\theta)=\sin\theta(\sin(n+1)\theta-\sin n\theta)\quad\text{(단, }\theta\text{는 임의의 실수)}

【3-3】 제시문 [가]를 참고하여 f(x)=cos⁡ax\displaystyle f(x)=\cos ax의 정적분 A(a)=∫01cos⁡ax dx\displaystyle A(a)=\int_0^1\cos ax\,dx의 값을 정적분의 정의를 사용하여 구하시오. 여기서 a\displaystyle a는 양의 실수이다.

【3-4】 제시문 [나], [다]를 참고하여 문항 【1-3】에서 구한 A(a)\displaystyle A(a)(단, π<a<3π2\displaystyle \pi<a<\frac{3\pi}2)는 열린 구간 (12π9,13π9)\displaystyle \left(\frac{12\pi}9,\frac{13\pi}9\right)에서 단 하나의 극소점을 가짐을 보이시오.Correction. A(a)\displaystyle A(a)를 구한 “문항 【1-3】”는 “문항 【3-3】”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(단, tan⁡π9≐0.364\displaystyle \tan\frac\pi9\doteq0.364, 3≐1.732\displaystyle \sqrt3\doteq1.732, π≐3.142\displaystyle \pi\doteq3.142이다.)

해설강의 준비중
3-1 · 행렬의 덧셈과 곱셈, 역행렬을 활용하여 주어진 수열의 부분 합을 계산할 수 있는지 평가한다.

[3-1]A\displaystyle A을 2×2\displaystyle 2\times2행렬 A=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)\displaystyle A=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}라 하자. 제시문 [나]에 따르면, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여An=(cos⁡nθ−sin⁡nθsin⁡nθcos⁡nθ)\displaystyle A^n=\begin{pmatrix}\cos n\theta&-\sin n\theta\\\sin n\theta&\cos n\theta\end{pmatrix}이다.그러므로 ∑k=0n−1cos⁡kθ\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}\cos k\theta는 행렬 S=I+A+A2+⋯+An−1\displaystyle S=I+A+A^2+\cdots+A^{n-1}의 (1,1)\displaystyle (1,1)성분과 같다. 한편,(I−A)S=S−AS=(I+A+⋯+An−1)−(A+A2+⋯+An)=I−An\displaystyle \begin{aligned}(I-A)S&=S-AS\\&=(I+A+\cdots+A^{n-1})-(A+A^2+\cdots+A^n)\\&=I-A^n\end{aligned}이고, 0<θ<2π\displaystyle 0<\theta<2\pi이므로 I−A=(1−cos⁡θsin⁡θ−sin⁡θ1−cos⁡θ)\displaystyle I-A=\begin{pmatrix}1-\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&1-\cos\theta\end{pmatrix}는 역행렬(I−A)−1=12−2cos⁡θ(1−cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θ1−cos⁡θ)\displaystyle (I-A)^{-1}=\frac1{2-2\cos\theta}\begin{pmatrix}1-\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&1-\cos\theta\end{pmatrix}를 갖는다.따라서S=(I−A)−1(I−An)=12−2cos⁡θ(1−cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θ1−cos⁡θ)(1−cos⁡nθsin⁡nθ−sin⁡nθ1−cos⁡nθ)\displaystyle \begin{aligned}S&=(I-A)^{-1}(I-A^n)\\&=\frac1{2-2\cos\theta}\begin{pmatrix}1-\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&1-\cos\theta\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1-\cos n\theta&\sin n\theta\\-\sin n\theta&1-\cos n\theta\end{pmatrix}\end{aligned}이므로 (1,1)\displaystyle (1,1)성분으로부터∑k=0n−1cos⁡kθ=12−2cos⁡θ((1−cos⁡θ)(1−cos⁡nθ)+sin⁡θsin⁡nθ)=12(1−cos⁡nθ)+12sin⁡θ1−cos⁡θsin⁡nθ\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=0}^{n-1}\cos k\theta&=\frac1{2-2\cos\theta}\left((1-\cos\theta)(1-\cos n\theta)+\sin\theta\sin n\theta\right)\\&=\frac12(1-\cos n\theta)+\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\sin n\theta\end{aligned}를 얻는다.

3-2 · 수열의 부분 합으로부터 그 일반항을 구하여 정리하고 주기 함수인 삼각함수의 특징을 이해하는지 평가한다.

[3-2]자연수 n\displaystyle n에 대하여 Sn−1=∑k=0n−1cos⁡kθ\displaystyle S_{n-1}=\sum_{k=0}^{n-1}\cos k\theta라 하면, 0<θ<2π\displaystyle 0<\theta<2\pi인 θ\displaystyle \theta에 대하여 문항 [3-1]로부터cos⁡nθ=Sn−Sn−1=[12{1−cos⁡(n+1)θ}+12sin⁡θ1−cos⁡θsin⁡(n+1)θ]−[12(1−cos⁡nθ)+12sin⁡θ1−cos⁡θsin⁡nθ]=12{cos⁡nθ−cos⁡(n+1)θ}+12sin⁡θ1−cos⁡θ{sin⁡(n+1)θ−sin⁡nθ}\displaystyle \begin{aligned}\cos n\theta&=S_n-S_{n-1}\\&=\left[\frac12\{1-\cos(n+1)\theta\}+\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\sin(n+1)\theta\right]-\left[\frac12(1-\cos n\theta)+\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\sin n\theta\right]\\&=\frac12\{\cos n\theta-\cos(n+1)\theta\}+\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\{\sin(n+1)\theta-\sin n\theta\}\end{aligned}이다. 이를 정리하면12{cos⁡(n+1)θ+cos⁡nθ}=12sin⁡θ1−cos⁡θ{sin⁡(n+1)θ−sin⁡nθ}\displaystyle \frac12\{\cos(n+1)\theta+\cos n\theta\}=\frac12\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}\{\sin(n+1)\theta-\sin n\theta\}이므로(*) (1−cos⁡θ)(cos⁡(n+1)θ+cos⁡nθ)=sin⁡θ(sin⁡(n+1)θ−sin⁡nθ)\displaystyle (1-\cos\theta)(\cos(n+1)\theta+\cos n\theta)=\sin\theta(\sin(n+1)\theta-\sin n\theta)가 성립한다.또한 (*)는 θ=0\displaystyle \theta=0인 경우에도 명백히 성립하고, 또한 사인 코사인 함수의 주기가 2π\displaystyle 2\pi이므로 (*)는 모든 실수에 대하여 성립한다.

3-3 · 정적분의 정의를 이해하며 극한을 계산할 수 있는지 평가한다.

[3-3]양의 실수 a\displaystyle a에 대하여, 정적분의 정의로부터 A(a)=lim⁡n→∞1n∑k=0n−1cos⁡(akn)\displaystyle A(a)=\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}\cos\left(\frac{ak}n\right)이므로 n>a2π\displaystyle n>\frac a{2\pi}인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 문항 [3-1]의 식에 θ=an\displaystyle \theta=\frac an를 대입하면(∗∗) ∑k=0n−1cos⁡(akn)=1−cos⁡a2+sin⁡a2sin⁡an1−cos⁡an\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}\cos\left(\frac{ak}n\right)=\frac{1-\cos a}2+\frac{\sin a}2\frac{\sin\frac an}{1-\cos\frac an}를 얻는다.따라서A(a)=1−cos⁡a2lim⁡n→∞1n+sin⁡a2lim⁡n→∞1nsin⁡an1−cos⁡an=sin⁡a2lim⁡x→0+xasin⁡x1−cos⁡x=sin⁡a2alim⁡x→0+xsin⁡x1−cos⁡x1+cos⁡x1+cos⁡x=sin⁡a2alim⁡x→0+1+cos⁡xsin⁡xx=sin⁡a2a⋅1+11=sin⁡aa\displaystyle \begin{aligned}A(a)&=\frac{1-\cos a}2\lim_{n\to\infty}\frac1n+\frac{\sin a}2\lim_{n\to\infty}\frac{\frac1n\sin\frac an}{1-\cos\frac an}\\&=\frac{\sin a}2\lim_{x\to0+}\frac{\frac xa\sin x}{1-\cos x}\\&=\frac{\sin a}{2a}\lim_{x\to0+}\frac{x\sin x}{1-\cos x}\frac{1+\cos x}{1+\cos x}\\&=\frac{\sin a}{2a}\lim_{x\to0+}\frac{1+\cos x}{\frac{\sin x}x}\\&=\frac{\sin a}{2a}\cdot\frac{1+1}1\\&=\frac{\sin a}a\end{aligned}이다.

3-4 · 삼각함수의 덧셈정리, 중간값 정리 및 도함수와 함수의 관계를 활용하여 주어진 구간에 단 하나의 극소값이 존재함을 보일 수 있는지 평가한다.

[3-4]A(a)=sin⁡aa\displaystyle A(a)=\frac{\sin a}a(a\displaystyle a는 양의 실수)이므로A′(a)=acos⁡a−sin⁡aa2=cos⁡a(a−tan⁡a)a2=0\displaystyle A^{\prime}(a)=\frac{a\cos a-\sin a}{a^2}=\frac{\cos a(a-\tan a)}{a^2}=0는 a=tan⁡a\displaystyle a=\tan a(π<a<3π2\displaystyle \pi<a<\frac{3\pi}2)일 때만 가능하다. 이제 h(a)=tan⁡a−a\displaystyle h(a)=\tan a-a(π<a<3π2\displaystyle \pi<a<\frac{3\pi}2)라 하면 A′(a)\displaystyle A^{\prime}(a)와 h(a)\displaystyle h(a)의 부호는 항상 같다.tan⁡(α+β)=sin⁡(α+β)cos⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡βcos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β\displaystyle \tan(\alpha+\beta)=\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos(\alpha+\beta)}=\frac{\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta}{\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta}=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}를 이용하면,tan⁡4π9=tan⁡(π3+π9)=tan⁡π3+tan⁡π91−tan⁡π3tan⁡π9=3+tan⁡π91−3tan⁡π9≐1.732+0.3641−1.732×0.364>5\displaystyle \tan\frac{4\pi}9=\tan\left(\frac\pi3+\frac\pi9\right)=\frac{\tan\frac\pi3+\tan\frac\pi9}{1-\tan\frac\pi3\tan\frac\pi9}=\frac{\sqrt3+\tan\frac\pi9}{1-\sqrt3\tan\frac\pi9}\doteq\frac{1.732+0.364}{1-1.732\times0.364}>5이다. 이제 h\displaystyle h는 닫힌구간 [12π9,13π9]\displaystyle \left[\frac{12\pi}9,\frac{13\pi}9\right]에서 연속이고,h(13π9)=tan⁡4π9−13π9>5−13×3.29>0,\displaystyle h\left(\frac{13\pi}9\right)=\tan\frac{4\pi}9-\frac{13\pi}9>5-\frac{13\times3.2}9>0,h(12π9)=tan⁡π3−4π3=3−4π3<0\displaystyle h\left(\frac{12\pi}9\right)=\tan\frac\pi3-\frac{4\pi}3=\sqrt3-\frac{4\pi}3<0이므로 중간값 정리에 의하여 열린구간 (12π9,13π9)\displaystyle \left(\frac{12\pi}9,\frac{13\pi}9\right)에서 h(a)=0\displaystyle h(a)=0인 a=α\displaystyle a=\alpha를 갖는다.따라서 이 구간에 A′(a)=0\displaystyle A^{\prime}(a)=0인 a=α\displaystyle a=\alpha가 존재한다.그런데, 열린 구간 (π,3π2)\displaystyle \left(\pi,\frac{3\pi}2\right)에서 h′(a)=sec⁡2a−1=tan⁡2a>0\displaystyle h^{\prime}(a)=\sec^2a-1=\tan^2a>0이므로 h(a)\displaystyle h(a)는 증가함수이고, h(α)=0\displaystyle h(\alpha)=0이므로 π<a<α\displaystyle \pi<a<\alpha에서 음의 값, α<a<3π2\displaystyle \alpha<a<\frac{3\pi}2에서 양의 값을 가진다.그러므로 12π9<a<α\displaystyle \frac{12\pi}9<a<\alpha에서 A′(a)<0\displaystyle A^{\prime}(a)<0이고, α<a<13π9\displaystyle \alpha<a<\frac{13\pi}9에서 A′(a)>0\displaystyle A^{\prime}(a)>0이다.따라서 a=α\displaystyle a=\alpha는 열린구간 (12π9,13π9)\displaystyle \left(\frac{12\pi}9,\frac{13\pi}9\right)에서 A(a)\displaystyle A(a)는 단 하나의 극소점을 갖는다.

평가방법: 구간별 등급 부여인원을 준수하여 상대평가

평가배점: 소문항을 모두 포함한 문제를 10점 만점으로 0~10등급 사이에서의 최종 평가등급을 부여함

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