수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (30점)

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 임의의 세 실수 a,b,c\displaystyle a,b,c를 포함하는 구간에서 연속일 때∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx=∫abf(x)dx\displaystyle \int_a^cf(x)dx+\int_c^bf(x)dx=\int_a^bf(x)dx[출처 : 수학II 「부정적분과 정적분」]

주기가 1인 주기함수 f(x)\displaystyle f(x)는 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1에서 f(x)=a−∣2x−1∣\displaystyle f(x)=a-|2x-1|이다. 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 다음과 같이 정의하자. ([x]\displaystyle [x]는 x\displaystyle x를 넘지 않는 최대의 정수이다.)g(x)=f(x)[x+1][x+2](x≥0)\displaystyle g(x)=\frac{f(x)}{[x+1][x+2]}\quad(x\ge0)

다음 문항에 답하시오.

(1) 임의의 자연수 k\displaystyle k에 대하여, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=k\displaystyle x=k에서 연속이 되도록 상수 a\displaystyle a의 값을 정하시오.

(2) 문항 (1)에서 구한 상수 a\displaystyle a에 대하여, n\displaystyle n이 자연수일 때 ∫0ng(x)∣sin⁡πx∣dx\displaystyle \int_0^ng(x)|\sin\pi x|dx를 n\displaystyle n의 식으로 나타내시오.

해설강의 준비중
+9점 · 주기함수 f\displaystyle f를 이용해 정의된 함수 g\displaystyle g가 연속이기 위한 상수 a\displaystyle a의 조건을 구한다

(1) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 주기가 1인 주기함수이고 0≤x<12\displaystyle 0\le x<\frac12일 때 2x+(a−1)\displaystyle 2x+(a-1), 12≤x≤1\displaystyle \frac12\le x\le1일 때 −2x+(a+1)\displaystyle -2x+(a+1)이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 다음과 같다.

주기가 1인 함수 f(x)의 그래프

또한 f(0)=f(1)=a−1\displaystyle f(0)=f(1)=a-1이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 연속이다.함수 g(x)\displaystyle g(x)의 x=k\displaystyle x=k에서의 함숫값은 g(k)=f(k)(k+1)(k+2)=a−1(k+1)(k+2)\displaystyle g(k)=\frac{f(k)}{(k+1)(k+2)}=\frac{a-1}{(k+1)(k+2)}이다.x=k\displaystyle x=k에서의 좌극한은 함수의 극한의 성질과 f(x)\displaystyle f(x)의 연속성 (lim⁡x→kf(x)=f(k)\displaystyle \lim_{x\to k}f(x)=f(k))을 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.lim⁡x→k−f(x)[x+1][x+2]=lim⁡x→k−f(x)lim⁡x→k−[x+1][x+2]=f(k)k(k+1)=a−1k(k+1)\displaystyle \lim_{x\to k^-}\frac{f(x)}{[x+1][x+2]}=\frac{\lim_{x\to k^-}f(x)}{\lim_{x\to k^-}[x+1][x+2]}=\frac{f(k)}{k(k+1)}=\frac{a-1}{k(k+1)}비슷한 방법으로 x=k\displaystyle x=k에서의 우극한을 다음과 같이 구한다.lim⁡x→k+f(x)[x+1][x+2]=lim⁡x→k+f(x)lim⁡x→k+[x+1][x+2]=f(k)(k+1)(k+2)=a−1(k+1)(k+2)\displaystyle \lim_{x\to k^+}\frac{f(x)}{[x+1][x+2]}=\frac{\lim_{x\to k^+}f(x)}{\lim_{x\to k^+}[x+1][x+2]}=\frac{f(k)}{(k+1)(k+2)}=\frac{a-1}{(k+1)(k+2)}함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=k\displaystyle x=k에서 연속이기 위해서는 함숫값과 좌극한 및 우극한이 모두 같아야 하므로 다음 식을 만족해야 한다.a−1k(k+1)=a−1(k+1)(k+2)\displaystyle \frac{a-1}{k(k+1)}=\frac{a-1}{(k+1)(k+2)}따라서 a=1\displaystyle a=1이다.

+21점 · 함수 g\displaystyle g의 정적분을 함수 f\displaystyle f와 삼각함수의 주기성 및 부분적분법과 치환적분법을 적용하여 구한다

(2) 문항 (1)에서 구한 a=1\displaystyle a=1을 대입하면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 0≤x<12\displaystyle 0\le x<\frac12일 때 2x\displaystyle 2x, 12≤x≤1\displaystyle \frac12\le x\le1일 때 −2x+2\displaystyle -2x+2이다. 이때 정적분의 성질에 의하여 구하고자 하는 식은 다음과 같다.∫0ng(x)∣sin⁡πx∣dx=∫01f(x)1⋅2∣sin⁡πx∣dx+∫12f(x)2⋅3∣sin⁡πx∣dx+⋯+∫n−1nf(x)n(n+1)∣sin⁡πx∣dx=∑k=1n1k(k+1)∫k−1kf(x)∣sin⁡πx∣dx\displaystyle \begin{aligned}&\int_0^ng(x)|\sin\pi x|dx\\&=\int_0^1\frac{f(x)}{1\cdot2}|\sin\pi x|dx+\int_1^2\frac{f(x)}{2\cdot3}|\sin\pi x|dx+\cdots+\int_{n-1}^n\frac{f(x)}{n(n+1)}|\sin\pi x|dx\\&=\sum_{k=1}^n\frac1{k(k+1)}\int_{k-1}^kf(x)|\sin\pi x|dx\end{aligned}정적분 ∫k−1kf(x)∣sin⁡πx∣dx\displaystyle \int_{k-1}^kf(x)|\sin\pi x|dx를 구하기 위해 t=x−(k−1)\displaystyle t=x-(k-1)로 놓고 치환적분법과 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 주기성을 이용하면 다음 등식을 얻는다.∫k−1kf(x)∣sin⁡πx∣dx=∫01f(t+k−1)∣(−1)k−1sin⁡πt∣dt=∫01f(t)sin⁡πt dt=∫0122tsin⁡πt dt+∫121(2−2t)sin⁡πt dt\displaystyle \begin{aligned}\int_{k-1}^kf(x)|\sin\pi x|dx&=\int_0^1f(t+k-1)|(-1)^{k-1}\sin\pi t|dt\\&=\int_0^1f(t)\sin\pi t\,dt\\&=\int_0^{\frac12}2t\sin\pi t\,dt+\int_{\frac12}^1(2-2t)\sin\pi t\,dt\end{aligned}위 식의 두 번째 적분에서 u=1−t\displaystyle u=1-t로 치환하면∫121(2−2t)sin⁡πt dt=∫0122usin⁡πu du\displaystyle \int_{\frac12}^1(2-2t)\sin\pi t\,dt=\int_0^{\frac12}2u\sin\pi u\,du이므로∫k−1kf(x)∣sin⁡πx∣dx=∫0124tsin⁡πt dt\displaystyle \int_{k-1}^kf(x)|\sin\pi x|dx=\int_0^{\frac12}4t\sin\pi t\,dt이다. 부분적분법을 이용하여 ∫0124tsin⁡πt dt\displaystyle \int_0^{\frac12}4t\sin\pi t\,dt를 구하면∫0124tsin⁡πt dt=[−4t⋅1πcos⁡πt]012+∫0124⋅1πcos⁡πt dt=[4π2sin⁡πt]012=4π2\displaystyle \int_0^{\frac12}4t\sin\pi t\,dt=\Biggl[-4t\cdot\frac1\pi\cos\pi t\Biggr]_0^{\frac12}+\int_0^{\frac12}4\cdot\frac1\pi\cos\pi t\,dt=\Biggl[\frac4{\pi^2}\sin\pi t\Biggr]_0^{\frac12}=\frac4{\pi^2}따라서 ∫0ng(x)∣sin⁡πx∣dx\displaystyle \int_0^ng(x)|\sin\pi x|dx는 다음과 같다.∫0ng(x)∣sin⁡πx∣dx=∑k=1n1k(k+1)∫k−1kf(x)∣sin⁡πx∣dx=∑k=1n1k(k+1)⋅4π2=4π2∑k=1n(1k−1k+1)=4π2⋅nn+1\displaystyle \begin{aligned}\int_0^ng(x)|\sin\pi x|dx&=\sum_{k=1}^n\frac1{k(k+1)}\int_{k-1}^kf(x)|\sin\pi x|dx\\&=\sum_{k=1}^n\frac1{k(k+1)}\cdot\frac4{\pi^2}\\&=\frac4{\pi^2}\sum_{k=1}^n\left(\frac1k-\frac1{k+1}\right)\\&=\frac4{\pi^2}\cdot\frac n{n+1}\end{aligned}

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