수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 4번

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문제

아래 논제에 답하시오. (25점)

함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x≤0\displaystyle x\le0에서 정의된 연속함수이며, 일반항이 an=n(n−1)\displaystyle a_n=n(n-1)인 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}과 Sn=∑i=1nai\displaystyle S_n=\sum_{i=1}^n a_i에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 모두 만족시키는 연속함수라고 하자.

(i) x≤0\displaystyle x\le0일 때 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)(ii) 1보다 크거나 같은 정수 n\displaystyle n에 대하여 n−1≤x<n\displaystyle n-1\le x<n일 때f(x)=g(−Sn+(n−1−x)an+1)\displaystyle f(x)=g(-S_n+(n-1-x)a_{n+1})(iii) 2보다 크거나 같은 정수 n\displaystyle n에 대하여 ∫0anf(x−Sn) dx=1\displaystyle \int_0^{a_n}f(x-S_n)\,dx=1

이때 다음 문항에 답하시오.

(1) 2보다 크거나 같은 정수 n\displaystyle n에 대하여 정적분 ∫−Sn−1−Sng(x) dx\displaystyle \int_{-S_{n-1}}^{-S_n}g(x)\,dx의 값을 구하시오.

(2) 정적분 ∫02023f(x) dx\displaystyle \int_0^{2023}f(x)\,dx의 값을 구하시오.

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

(1) t=x−Sn\displaystyle t=x-S_n으로 치환하면 ∫0anf(x−Sn) dx=∫−Sn−Sn+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=−Sn−1\displaystyle -S_n+a_n=-S_{n-1}이므로∫−Sn−Sn+anf(t) dt=∫−Sn−Sn−1f(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 −Sn≤0\displaystyle -S_n\le0이다. 조건 (i)에 의하여∫−Sn−Sn−1f(t) dt=∫−Sn−Sn−1g(t) dt\displaystyle \int_{-S_n}^{-S_{n-1}}f(t)\,dt=\int_{-S_n}^{-S_{n-1}}g(t)\,dt따라서∫−Sn−Sn−1g(x) dx=∫0anf(x−Sn) dx=1,∫−Sn−1−Sng(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 의하여∫02023f(x) dx=∑n=12023∫n−1nf(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 때∫n−1nf(x) dx=∫n−1ng(−Sn+(n−1−x)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+(n−1−x)an+1\displaystyle t=-S_n+(n-1-x)a_{n+1}라고 두면∫n−1nf(x) dx=∫n−1ng(−Sn+(n−1−x)an+1) dx=∫−Sn−Sn−an+1(−g(t)an+1) dt=∫−Sn−an+1−Sng(t)an+1 dt\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 −Sn−an+1=−Sn+1\displaystyle -S_n-a_{n+1}=-S_{n+1}이고 n≥2\displaystyle n\ge2일 때 문항 (1)의 결과에 의하여 ∫−Sn−Sn−1g(t) dt=1\displaystyle \int_{-S_n}^{-S_{n-1}}g(t)\,dt=1이므로, n≥1\displaystyle n\ge1일 때 ∫−Sn+1−Sng(t) dt=1\displaystyle \int_{-S_{n+1}}^{-S_n}g(t)\,dt=1이다.그러므로∫−Sn−an+1−Sng(t)an+1 dt=1an+1∫−Sn+1−Sng(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 ∫n−1nf(x) dx=1an+1=1n(n+1)=1n−1n+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=12023∫n−1nf(x) dx=∑n=12023(1n−1n+1)=1−12024=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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