수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 1번

문제

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해설강의 준비중

문제 1-1p\displaystyle pq\displaystyle q이기 위한 필요조건이라 가정하자. 그러면 qp\displaystyle q\Rightarrow p이고 대우는 pq\displaystyle \sim p\Rightarrow\sim q이다. 두 조건 p,q\displaystyle p,q의 진리집합을 각각 P,Q\displaystyle P,Q라 하면 진리집합 P,Q\displaystyle P,Q의 포함관계는 PCQC\displaystyle P^C\subset Q^C이다.PC={xx22x3=0}={1,3}, QC={xax2a3x4}\displaystyle P^C=\{x\mid x^2-2x-3=0\}=\{-1,3\},\ Q^C=\{x\mid ax-2a\le3x-4\}이므로(ⅰ) 1QC\displaystyle -1\in Q^C일 때, a2a34, 3a7, a73\displaystyle -a-2a\le-3-4,\ -3a\le-7,\ a\ge\frac73(ⅱ) 3QC\displaystyle 3\in Q^C일 때, 3a2a5, a5\displaystyle 3a-2a\le5,\ a\le5(ⅰ), (ⅱ)에 의하여 73a5\displaystyle \frac73\le a\le5따라서 구하는 정수 a\displaystyle a3,4,5\displaystyle 3,4,5이므로 3+4+5=12\displaystyle 3+4+5=12

문제 1-2(1) 곡선 y=x2nx\displaystyle y=x^2-nx와 직선 y=x+n14\displaystyle y=x+n-\frac14이 만나는 서로 다른 두 점 An,Bn\displaystyle A_n,B_nx\displaystyle x좌표를 각각 α,β (α<β)\displaystyle \alpha,\beta\ (\alpha<\beta)라 하면 An(α,α+n14), Bn(β,β+n14)\displaystyle A_n(\alpha,\alpha+n-\frac14),\ B_n(\beta,\beta+n-\frac14)이므로 선분 AnBn\displaystyle A_nB_n의 길이는(βα)2+{(β+n14)(α+n14)}2=(βα)2+(βα)2=2(βα)2\displaystyle \sqrt{(\beta-\alpha)^2+\{(\beta+n-\frac14)-(\alpha+n-\frac14)\}^2}=\sqrt{(\beta-\alpha)^2+(\beta-\alpha)^2}=\sqrt{2(\beta-\alpha)^2}이다. α,β\displaystyle \alpha,\beta는 곡선과 직선이 만나는 점의 x\displaystyle x좌표이므로 x2nx=x+n14, x2(n+1)x+14n=0\displaystyle x^2-nx=x+n-\frac14,\ x^2-(n+1)x+\frac14-n=0의 두 실근이고, 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의해서 α+β=n+1, αβ=14n\displaystyle \alpha+\beta=n+1,\ \alpha\beta=\frac14-n이다.(βα)2=(α+β)24αβ=(n+1)24(14n)=n2+6n\displaystyle (\beta-\alpha)^2=(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta=(n+1)^2-4(\frac14-n)=n^2+6n이므로AnBn=2(βα)2=2(n2+6n)\displaystyle \overline{A_nB_n}=\sqrt{2(\beta-\alpha)^2}=\sqrt{2(n^2+6n)}따라서 선분 AnBn\displaystyle A_nB_n을 지름으로 하는 원의 넓이 Tn\displaystyle T_nTn=(AnBn2)2π=n2+6n2π\displaystyle T_n=\left(\frac{\overline{A_nB_n}}2\right)^2\pi=\frac{n^2+6n}2\pi

제시문에서 Tn=k=1nπak\displaystyle T_n=\sum_{k=1}^n\pi a_k이므로 등차수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 첫째항부터 제n\displaystyle n항까지의 합을 Sn\displaystyle S_n이라 하면 Sn=k=1nak=n2+6n2\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^na_k=\frac{n^2+6n}2이다. a1=S1=72\displaystyle a_1=S_1=\frac72이고 S2=162\displaystyle S_2=\frac{16}2이므로 a2=S2S1=92\displaystyle a_2=S_2-S_1=\frac92이다.따라서 공차 d=a2a1=1\displaystyle d=a_2-a_1=1이고 an=a1+(n1)d=n+52\displaystyle a_n=a_1+(n-1)d=n+\frac52

(2) n=11anan+1=n=11(n+52)(n+72)=n=14(2n+5)(2n+7)=limnk=1n42(12k+512k+7)=limn2{(1719)+(19111)+(111113)++(12n+512n+7)}=limn2(1712n+7)=27\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{a_na_{n+1}}&=\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{(n+\frac52)(n+\frac72)}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac4{(2n+5)(2n+7)}\\&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac42\left(\frac1{2k+5}-\frac1{2k+7}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}2\left\{\left(\frac17-\frac19\right)+\left(\frac19-\frac1{11}\right)+\left(\frac1{11}-\frac1{13}\right)+\cdots+\left(\frac1{2n+5}-\frac1{2n+7}\right)\right\}\\&=\lim_{n\to\infty}2\left(\frac17-\frac1{2n+7}\right)=\frac27\end{aligned}

문제 1-3(1) 그림과 같이 실수 t (0<t<n)\displaystyle t\ (0<t<n)에 대하여P(t,nt), Q(t,nt), R(t,2nt), S(t,2nt)\displaystyle P(t,\sqrt{n-t}),\ Q(-t,\sqrt{n-t}),\ R(-t,-2\sqrt{n-t}),\ S(t,-2\sqrt{n-t})이다. 직사각형 PQRS\displaystyle PQRS의 넓이는 PQ×PS=2t×3nt\displaystyle \overline{PQ}\times\overline{PS}=2t\times3\sqrt{n-t}이므로 Sn(t)=6tnt\displaystyle S_n(t)=6t\sqrt{n-t}이다.

네 무리함수의 그래프와 직사각형 PQRS

(2) Sn(t)=6tnt=6nt2t3\displaystyle S_n(t)=6t\sqrt{n-t}=6\sqrt{nt^2-t^3}에서 T(t)=nt2t3=t2(nt)\displaystyle T(t)=nt^2-t^3=t^2(n-t)라 하면 0<t<n\displaystyle 0<t<n일 때 T(t)>0\displaystyle T(t)>0이므로 T(t)\displaystyle T(t)가 최대일 때 Sn(t)\displaystyle S_n(t)도 최대이다.T(t)=2nt3t2=t(2n3t)=0\displaystyle T^{\prime}(t)=2nt-3t^2=t(2n-3t)=0을 만족시키는 t\displaystyle t의 값은 t=0\displaystyle t=0 또는 t=23n\displaystyle t=\frac23n이므로 함수 T(t)\displaystyle T(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

t\displaystyle t(0)\displaystyle (0)23n\displaystyle \frac23n(n)\displaystyle (n)
T(t)\displaystyle T^{\prime}(t)+\displaystyle +0\displaystyle 0\displaystyle -
T(t)\displaystyle T(t)0\displaystyle 0n(23n)2(23n)3=427n3\displaystyle n(\frac23n)^2-(\frac23n)^3=\frac4{27}n^30\displaystyle 0

T(t)=nt2t3\displaystyle T(t)=nt^2-t^3t=23n\displaystyle t=\frac23n에서 극대이면서 최대이므로 Sn(t)\displaystyle S_n(t)t=23n\displaystyle t=\frac23n에서 최댓값 Sn(23n)=6T(23n)=6427n3\displaystyle S_n(\frac23n)=6\sqrt{T(\frac23n)}=6\sqrt{\frac4{27}n^3}을 갖는다. 즉f(n)=23n, g(n)=6427n3\displaystyle f(n)=\frac23n,\ g(n)=6\sqrt{\frac4{27}n^3}따라서limn{g(n)}2{f(n)}3+n3+1=limn36×427n3827n3+n3+1=14435\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\{g(n)\}^2}{\{f(n)\}^3+n^3+1}=\lim_{n\to\infty}\frac{36\times\frac4{27}n^3}{\frac8{27}n^3+n^3+1}=\frac{144}{35}

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