수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · (1) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다. (단, 백지답안은 7등급) ① 치환적분 ② 적분 구간 통일 ③ 부분적분 ④ 함수값 대입

(1) 2x=u\displaystyle 2-x=u로 치환을 하면, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다. 12g(x)f(2x)dx=10g(2u)f(u)(du)=01g(2u)f(u)du\displaystyle \int_1^2g^{\prime}(x)f(2-x)dx=\int_1^0g^{\prime}(2-u)f(u)(-du)=\int_0^1g^{\prime}(2-u)f(u)du따라서, H(1)\displaystyle H(1)을 다음과 같이 나타낼 수 있다. H(1)=01f(x)g(2x)dx12g(x)f(2x)dx=01f(x)g(2x)dx01g(2u)f(u)du=01{f(x)g(2x)f(x)g(2x)}dx\displaystyle \begin{aligned}H(1)&=\int_0^1f^{\prime}(x)g(2-x)dx-\int_1^2g^{\prime}(x)f(2-x)dx=\int_0^1f^{\prime}(x)g(2-x)dx-\int_0^1g^{\prime}(2-u)f(u)du\\&=\int_0^1\{f^{\prime}(x)g(2-x)-f(x)g^{\prime}(2-x)\}dx\end{aligned}부분적분법을 이용하여 다음의 정적분을 계산하면 H(1)=01{f(x)g(2x)f(x)g(2x)}dx=[f(x)g(2x)]01=f(1)g(1)f(0)g(2)\displaystyle H(1)=\int_0^1\{f^{\prime}(x)g(2-x)-f(x)g^{\prime}(2-x)\}dx=\Biggl[f(x)g(2-x)\Biggr]_0^1=f(1)g(1)-f(0)g(2)이 되고,f(1)\displaystyle f(1), g(1)\displaystyle g(1), f(0)\displaystyle f(0), g(2)\displaystyle g(2)의 값을 이용하면 H(1)=251(1)=11\displaystyle H(1)=2\cdot5-1\cdot(-1)=11이 된다.

+10점 · (2) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다. (단, 백지답안은 7등급) ① 치환적분 ② 적분 구간 통일 ③ 부분적분 ④ 함수 대입

(2) 2nx=u\displaystyle 2n-x=u로 치환을 하면, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다. n2ng(x)f(2nx)dx=n0g(2nu)f(u)(du)=0ng(2nu)f(u)du\displaystyle \int_n^{2n}g^{\prime}(x)f(2n-x)dx=\int_n^0g^{\prime}(2n-u)f(u)(-du)=\int_0^ng^{\prime}(2n-u)f(u)du따라서, H(n)\displaystyle H(n)을 다음과 같이 나타낼 수 있다. H(n)=0nf(x)g(2nx)dxn2ng(x)f(2nx)dx=0nf(x)g(2nx)dx0ng(2nu)f(u)du=0n{f(x)g(2nx)f(x)g(2nx)}dx\displaystyle \begin{aligned}H(n)&=\int_0^nf^{\prime}(x)g(2n-x)dx-\int_n^{2n}g^{\prime}(x)f(2n-x)dx=\int_0^nf^{\prime}(x)g(2n-x)dx-\int_0^ng^{\prime}(2n-u)f(u)du\\&=\int_0^n\{f^{\prime}(x)g(2n-x)-f(x)g^{\prime}(2n-x)\}dx\end{aligned}부분적분법을 이용하여 다음의 정적분을 계산하면 H(n)=0n{f(x)g(2nx)f(x)g(2nx)}dx=[f(x)g(2nx)]0n=f(n)g(n)f(0)g(2n)\displaystyle H(n)=\int_0^n\{f^{\prime}(x)g(2n-x)-f(x)g^{\prime}(2n-x)\}dx=\Biggl[f(x)g(2n-x)\Biggr]_0^n=f(n)g(n)-f(0)g(2n)f(x)=ax\displaystyle f(x)=a^x이고, g(x)=sinπ4x\displaystyle g(x)=\sin\frac\pi4x이므로 H(n)=ansinnπ4sinnπ2\displaystyle H(n)=a^n\sin\frac{n\pi}4-\sin\frac{n\pi}2가 된다.

+10점 · (3) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다. (단, 백지답안은 7등급) ① 삼각함수 항의 소거 ② an\displaystyle a_n ③ 공비 ④ 급수의 합

(3) <문제 2> (2)에서 H(n)=(12)nsinnπ4sinnπ2\displaystyle H(n)=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^n\sin\frac{n\pi}4-\sin\frac{n\pi}2임을 알 수 있고, an=H(4n3)+H(4n1)\displaystyle a_n=H(4n-3)+H(4n-1)이라 하자. an=H(4n3)+H(4n1)=(12)4n3sin(4n3)π4sin(4n3)π2+(12)4n1sin(4n1)π4sin(4n1)π2\displaystyle \begin{aligned}a_n&=H(4n-3)+H(4n-1)\\&=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n-3}\sin\frac{(4n-3)\pi}4-\sin\frac{(4n-3)\pi}2+\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n-1}\sin\frac{(4n-1)\pi}4-\sin\frac{(4n-1)\pi}2\end{aligned}인데, 삼각함수의 대칭성과 주기성에 의해 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 sin(4n3)π2+sin(4n1)π2=0\displaystyle \sin\frac{(4n-3)\pi}2+\sin\frac{(4n-1)\pi}2=0이 성립하므로 an=H(4n3)+H(4n1)=(12)4n3sin(4n3)π4+(12)4n1sin(4n1)π4\displaystyle a_n=H(4n-3)+H(4n-1)=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n-3}\sin\frac{(4n-3)\pi}4+\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n-1}\sin\frac{(4n-1)\pi}4이다.이 때, an+1\displaystyle a_{n+1}을 계산해보면, an+1=H(4n+1)+H(4n+3)=(12)4n+1sin(4n+1)π4+(12)4n+3sin(4n+3)π4\displaystyle a_{n+1}=H(4n+1)+H(4n+3)=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n+1}\sin\frac{(4n+1)\pi}4+\left(\frac1{\sqrt2}\right)^{4n+3}\sin\frac{(4n+3)\pi}4이다.한편, sin(π+θ)=sinθ\displaystyle \sin(\pi+\theta)=-\sin\theta이므로 sin(4n+1)π4=sin(4n3)π4\displaystyle \sin\frac{(4n+1)\pi}4=-\sin\frac{(4n-3)\pi}4이고, sin(4n+3)π4=sin(4n1)π4\displaystyle \sin\frac{(4n+3)\pi}4=-\sin\frac{(4n-1)\pi}4이 성립한다.따라서, an+1=14an\displaystyle a_{n+1}=-\frac14a_n임을 알 수 있다.첫째항은 a1=H(1)+H(3)=12sinπ4+(12)3sin3π4=12+14=34\displaystyle a_1=H(1)+H(3)=\frac1{\sqrt2}\sin\frac\pi4+\left(\frac1{\sqrt2}\right)^3\sin\frac{3\pi}4=\frac12+\frac14=\frac34이고 공비가 14\displaystyle -\frac14이므로 주어진 급수의 합은 341+14=35\displaystyle \frac{\frac34}{1+\frac14}=\frac35이다.

소문항등급채점 기준
(1)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(1)2등급④단계까지 서술했으나, ④단계에서 계산 실수가 있는 경우
(1)3등급③단계를 시도하여 H(1)\displaystyle H(1)f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)의 함수값들로 나타내었으나, f(1)g(1)f(0)g(2)\displaystyle f(1)g(1)-f(0)g(2)가 나오지 않은 경우
(1)4등급②단계에서 H(1)\displaystyle H(1)을 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서의 적분 형태로 바꾸었으나 그 이후 과정이 없는 경우
(1)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(1)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(1)7등급백지 답안
(2)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(2)2등급④단계까지 서술했으나, 계산 실수가 1~2개 있는 경우
(2)3등급③단계를 시도하여 H(n)\displaystyle H(n)f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)의 함수값들로 나타내었으나, f(n)g(n)f(0)g(2n)\displaystyle f(n)g(n)-f(0)g(2n)가 나오지 않은 경우
(2)4등급②단계에서 H(n)\displaystyle H(n)을 구간 [0,n]\displaystyle [0,n]에서의 적분 형태로 바꾸었으나 그 이후 과정이 없는 경우
(2)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(2)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(2)7등급백지 답안
(3)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(3)2등급④단계까지 서술하였으나, ④단계에서 계산 실수가 있는 경우
(3)3등급③단계에서 an\displaystyle a_n의 관계식을 직접 찾거나 혹은 규칙을 찾으려고 시도한 경우
(3)4등급②단계까지 계산한 경우
(3)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(3)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(3)7등급백지 답안

※ 각 소문항마다 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다. (단, 백지답안은 7등급)

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