수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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(1) 제시문에 f(t)=p(t)\displaystyle f(t)=p(t), g(t)=13et\displaystyle g(t)=\frac13e^t를 대입하고 g(t)=g(t)\displaystyle g^{\prime}(t)=g(t)를 이용하면13p(t)etdt=13p(t)et13p(t)etdt\displaystyle \frac13\int p(t)e^t\,dt=\frac13p(t)e^t-\frac13\int p^{\prime}(t)e^t\,dt를 얻을 수 있다. 또 위의 식으로부터0xp(t)+p(t)3etdt=13p(t)et0x=13(p(x)exp(0))=13((x2+bx+c)exc)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^x\frac{p(t)+p^{\prime}(t)}3e^t\,dt&=\left.\frac13p(t)e^t\right|_0^x=\frac13(p(x)e^x-p(0))\quad\cdots\cdots\text{㉠}\\&=\frac13((x^2+bx+c)e^x-c)\end{aligned}

(2) 식 ㉠은 도함수가 실수 전체에서 연속인 함수 f(t)\displaystyle f(t)에 대해 성립하므로 구간 [0,12]\displaystyle \left[0,\frac12\right]에서f1(12)=012f(t)+f(t)3etdt=13f(t)et012=13(f(12)ef(0))\displaystyle f_1\left(\frac12\right)=\int_0^{\frac12}\frac{f(t)+f^{\prime}(t)}3e^t\,dt=\left.\frac13f(t)e^t\right|_0^{\frac12}=\frac13\left(f\left(\frac12\right)\sqrt e-f(0)\right) …… ㉡f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 f1(12)=e3f(12)\displaystyle f_1\left(\frac12\right)=\frac{\sqrt e}3f\left(\frac12\right)이다.fn(x)\displaystyle f_n(x)의 정의에 따라 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 fn(0)=0\displaystyle f_n(0)=0이므로 식 ㉡을 f1(t)\displaystyle f_1(t)에 적용하여 f2(12)\displaystyle f_2\left(\frac12\right)을 구하면f2(12)=13f1(12)e=(e3)2f(12)\displaystyle f_2\left(\frac12\right)=\frac13f_1\left(\frac12\right)\sqrt e=\left(\frac{\sqrt e}3\right)^2f\left(\frac12\right)따라서 자연수 n\displaystyle n에 대하여fn+1(12)=e3fn(12)=(e3)n+1f(12)\displaystyle f_{n+1}\left(\frac12\right)=\frac{\sqrt e}3f_n\left(\frac12\right)=\left(\frac{\sqrt e}3\right)^{n+1}f\left(\frac12\right)이 성립하므로 fn(12)\displaystyle f_n\left(\frac12\right)은 첫째항이 e3f(12)\displaystyle \frac{\sqrt e}3f\left(\frac12\right)이고 공비 e3\displaystyle \frac{\sqrt e}3를 가지는 등비수열이다. 공비 e3\displaystyle \frac{\sqrt e}3는 1보다 작으므로 등비급수 n=1fn(12)\displaystyle \sum_{n=1}^\infty f_n\left(\frac12\right)은 수렴하고 그 합은n=1f(12)(e3)n=e3f(12)11e3=3e3e\displaystyle \sum_{n=1}^\infty f\left(\frac12\right)\left(\frac{\sqrt e}3\right)^n=\frac{\sqrt e}3f\left(\frac12\right)\frac1{1-\frac{\sqrt e}3}=\frac{3\sqrt e}{3-\sqrt e}이다.

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