수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
4점 · Δx=1n\displaystyle \Delta x=\frac1n, xk=kn\displaystyle x_k=\frac kn, f(xk)=xk3=(kn)3\displaystyle f(x_k)=x_k^3=\left(\frac kn\right)^3 으로 표현될 수 있음을 안다.

1-1.f(x)=x3\displaystyle f(x)=x^3이라 하면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속이다.이때 a=0\displaystyle a=0, b=1\displaystyle b=1이므로Δx=ban=1n, xk=a+kΔx=kn, f(xk)=xk3=(kn)3\displaystyle \Delta x=\frac{b-a}n=\frac1n,\ x_k=a+k\Delta x=\frac kn,\ f(x_k)=x_k^3=\left(\frac kn\right)^3

3점 · 주어진 정적분을 limn1n4k=1nk3\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{n^4}\sum_{k=1}^nk^3 꼴로 변환한다.

이므로, 정적분과 급수의 합 사이의 관계에 의하여01x3dx=limnk=1nf(xk)Δx=limnk=1n(k3n3×1n)=limn1n4k=1nk3\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1x^3\,dx&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^nf(x_k)\Delta x\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\left(\frac{k^3}{n^3}\times\frac1n\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\frac1{n^4}\sum_{k=1}^nk^3\end{aligned}

3점 · 위 극한값이 14\displaystyle \frac14임을 보인다.

=limn1n4×{n(n+1)2}2=limnn4+2n3+n24n4=14\displaystyle \begin{aligned}&=\lim_{n\to\infty}\frac1{n^4}\times\left\{\frac{n(n+1)}2\right\}^2\\&=\lim_{n\to\infty}\frac{n^4+2n^3+n^2}{4n^4}=\frac14\end{aligned}이다.

3점 · 주어진 극한을 limNk=12N12Nln(1+k2N)\displaystyle \lim_{N\to\infty}\sum_{k=1}^{2^N}\frac1{2^N}\ln\left(1+\frac k{2^N}\right) 꼴로 서술할 수 있음을 안다.

1-2. 주어진 식을 급수의 합 표현으로 바꾸면limN{ln(2N+12N)12N+ln(2N+22N)12N++ln(2N+2N2N)12N}=limNk=12Nln(2N+k2N)12N=limNk=12N12Nln(2N+k2N)=limNk=12N12Nln(1+k2N)\displaystyle \begin{aligned}&\lim_{N\to\infty}\left\{\ln\left(\frac{2^N+1}{2^N}\right)^{\frac1{2^N}}+\ln\left(\frac{2^N+2}{2^N}\right)^{\frac1{2^N}}+\cdots+\ln\left(\frac{2^N+2^N}{2^N}\right)^{\frac1{2^N}}\right\}\\&=\lim_{N\to\infty}\sum_{k=1}^{2^N}\ln\left(\frac{2^N+k}{2^N}\right)^{\frac1{2^N}}\\&=\lim_{N\to\infty}\sum_{k=1}^{2^N}\frac1{2^N}\ln\left(\frac{2^N+k}{2^N}\right)\\&=\lim_{N\to\infty}\sum_{k=1}^{2^N}\frac1{2^N}\ln\left(1+\frac k{2^N}\right)\end{aligned}

4점 · 정적분과 급수의 합 관계를 이용하여 주어진 식을 12(lnx)dx\displaystyle \int_1^2(\ln x)\,dx로 나타낸다.

이다. 이때, f(x)=ln(x)\displaystyle f(x)=\ln(x), a=1\displaystyle a=1, b=2\displaystyle b=2, n=2N\displaystyle n=2^N으로 놓으면Δx=ban=12N, xk=a+kΔx=1+k2N\displaystyle \Delta x=\frac{b-a}n=\frac1{2^N},\ x_k=a+k\Delta x=1+\frac k{2^N}이다. 따라서 정적분과 급수의 합 사이의 관계에 의하여limNk=12N12Nln(1+k2N)=limnk=1nf(xk)Δx=12f(x)dx=12(lnx)dx\displaystyle \begin{aligned}\lim_{N\to\infty}\sum_{k=1}^{2^N}\frac1{2^N}\ln\left(1+\frac k{2^N}\right)&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^nf(x_k)\Delta x\\&=\int_1^2f(x)\,dx=\int_1^2(\ln x)\,dx\end{aligned}

3점 · 주어진 정적분의 값이 2ln21\displaystyle 2\ln2-1임을 보인다.

=[xlnxx]12=(2ln22)(01)=2ln21\displaystyle =\Biggl[x\ln x-x\Biggr]_1^2=(2\ln2-2)-(0-1)=2\ln2-1이다.

등급취득점수
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(문항 당)

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