수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 4번

문제

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해설강의 준비중
+7.5점 · 치환적분법 및 문제의 조건을 이용하여 정적분의 값을 계산할 수 있다.

(1) t=xSn\displaystyle t=x-S_n으로 치환하면 0anf(xSn)dx=SnSn+anf(t)dt\displaystyle \int_0^{a_n}f(x-S_n)\,dx=\int_{-S_n}^{-S_n+a_n}f(t)\,dt이고, Sn+an=Sn1\displaystyle -S_n+a_n=-S_{n-1}이므로SnSn+anf(t)dt=SnSn1f(t)dt\displaystyle \int_{-S_n}^{-S_n+a_n}f(t)\,dt=\int_{-S_n}^{-S_{n-1}}f(t)\,dtan\displaystyle a_n은 모두 0보다 크거나 같으므로 Sn0\displaystyle -S_n\le0이다. 조건 (i)에 의하여SnSn1f(t)dt=SnSn1g(t)dt\displaystyle \int_{-S_n}^{-S_{n-1}}f(t)\,dt=\int_{-S_n}^{-S_{n-1}}g(t)\,dt따라서SnSn1g(x)dx=0anf(xSn)dx=1,Sn1Sng(x)dx=1\displaystyle \begin{gathered}\int_{-S_n}^{-S_{n-1}}g(x)\,dx=\int_0^{a_n}f(x-S_n)\,dx=1,\\\int_{-S_{n-1}}^{-S_n}g(x)\,dx=-1\end{gathered}

+17.5점 · 정적분의 성질을 이용하여 주어진 정적분의 형태를 변형한 후 치환적분법, 문제의 조건 및 부분분수 표현을 이용하여 정적분의 값을 계산할 수 있다.

(2) 정적분의 성질에 의하여02023f(x)dx=n=12023n1nf(x)dx\displaystyle \int_0^{2023}f(x)\,dx=\sum_{n=1}^{2023}\int_{n-1}^n f(x)\,dxn\displaystyle n이 1보다 크거나 같은 정수일 때n1nf(x)dx=n1ng(Sn+(n1x)an+1)dx\displaystyle \int_{n-1}^n f(x)\,dx=\int_{n-1}^n g(-S_n+(n-1-x)a_{n+1})\,dxt=Sn+(n1x)an+1\displaystyle t=-S_n+(n-1-x)a_{n+1}라고 두면n1nf(x)dx=n1ng(Sn+(n1x)an+1)dx=SnSnan+1(g(t)an+1)dt=Snan+1Sng(t)an+1dt\displaystyle \begin{aligned}\int_{n-1}^n f(x)\,dx&=\int_{n-1}^n g(-S_n+(n-1-x)a_{n+1})\,dx\\&=\int_{-S_n}^{-S_n-a_{n+1}}\left(-\frac{g(t)}{a_{n+1}}\right)\,dt\\&=\int_{-S_n-a_{n+1}}^{-S_n}\frac{g(t)}{a_{n+1}}\,dt\end{aligned}그런데 Snan+1=Sn+1\displaystyle -S_n-a_{n+1}=-S_{n+1}이고 n2\displaystyle n\ge2일 때 문항 (1)의 결과에 의하여 SnSn1g(t)dt=1\displaystyle \int_{-S_n}^{-S_{n-1}}g(t)\,dt=1이므로, n1\displaystyle n\ge1일 때 Sn+1Sng(t)dt=1\displaystyle \int_{-S_{n+1}}^{-S_n}g(t)\,dt=1이다.그러므로Snan+1Sng(t)an+1dt=1an+1Sn+1Sng(t)dt=1an+1\displaystyle \int_{-S_n-a_{n+1}}^{-S_n}\frac{g(t)}{a_{n+1}}\,dt=\frac1{a_{n+1}}\int_{-S_{n+1}}^{-S_n}g(t)\,dt=\frac1{a_{n+1}}따라서 n1nf(x)dx=1an+1=1n(n+1)=1n1n+1\displaystyle \int_{n-1}^n f(x)\,dx=\frac1{a_{n+1}}=\frac1{n(n+1)}=\frac1n-\frac1{n+1}이고,02023f(x)dx=n=12023n1nf(x)dx=n=12023(1n1n+1)=112024=20232024\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{2023}f(x)\,dx&=\sum_{n=1}^{2023}\int_{n-1}^n f(x)\,dx=\sum_{n=1}^{2023}\left(\frac1n-\frac1{n+1}\right)\\&=1-\frac1{2024}=\frac{2023}{2024}\end{aligned}

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