수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 치환적분법을 이용하여 0πxf(x)dx=0π(πt)f(πt)dt\displaystyle \int_0^{\pi}xf(x)dx=\int_0^{\pi}(\pi-t)f(\pi-t)dt임을 안다.

(1) I=0πxf(x)dx\displaystyle I=\int_0^{\pi}xf(x)dx라 하자. t=πx\displaystyle t=\pi-x로 놓으면 치환적분법에 의하여I=π0(πt)f(πt)dt=0π(πt)f(πt)dt\displaystyle I=-\int_{\pi}^{0}(\pi-t)f(\pi-t)dt=\int_0^{\pi}(\pi-t)f(\pi-t)dt

+8점 · (가)에 근거하여 0π(πt)f(πt)dt=0π(πt)f(t)dt\displaystyle \int_0^{\pi}(\pi-t)f(\pi-t)dt=\int_0^{\pi}(\pi-t)f(t)dt임을 안다.

이다. (가)에 의해 f(πt)=f(t) (0tπ)\displaystyle f(\pi-t)=f(t)\ (0\le t\le\pi)이므로I=0π(πt)f(t)dt=π0πf(t)dt0πtf(t)dt\displaystyle I=\int_0^{\pi}(\pi-t)f(t)dt=\pi\int_0^{\pi}f(t)dt-\int_0^{\pi}tf(t)dt

+7점 · (다)에 근거하여 0π(πt)f(t)dt=π0πtf(t)dt\displaystyle \int_0^{\pi}(\pi-t)f(t)dt=\pi-\int_0^{\pi}tf(t)dt임을 안다.

가 되며, (다)에 의해 0πf(t)dt=1\displaystyle \int_0^{\pi}f(t)dt=1이므로I=πI\displaystyle I=\pi-I

+5점 · 0πxf(x)dx=π2\displaystyle \int_0^{\pi}xf(x)dx=\frac{\pi}{2}임을 안다.

이다. 따라서 I=π2\displaystyle I=\frac{\pi}{2}이므로 구하는 정적분의 값은0πxf(x)dx=π2\displaystyle \int_0^{\pi}xf(x)dx=\frac{\pi}{2}이다.

+5점 · 수열을 이용하여 구하려는 합을 표현 할 수 있다.

(2) 구하려는 합을 Sn\displaystyle S_n이라 하자. Sn\displaystyle S_n\displaystyle \sum로 표현하면Sn=k=1nk2(k1)π2kπxf(x)dx\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^{n}k\int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}xf(x)dx이다.

+40점 · k=1,2,3,\displaystyle k=1,2,3,\cdots에 대해 2(k1)π2kπxf(x)dx=2(2k1)π\displaystyle \int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}xf(x)dx=2(2k-1)\pi임을 안다.

k=0,1,2,\displaystyle k=0,1,2,\cdots에 대하여ak=kπ(k+1)πxf(x)dx\displaystyle a_k=\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}xf(x)dx\qquad\text{……①}라 하면2(k1)π2kπxf(x)dx=(2k2)π(2k1)πxf(x)dx+(2k1)π2kπxf(x)dx=a2k2+a2k1\displaystyle \int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}xf(x)dx=\int_{(2k-2)\pi}^{(2k-1)\pi}xf(x)dx+\int_{(2k-1)\pi}^{2k\pi}xf(x)dx=a_{2k-2}+a_{2k-1}이므로Sn=k=1nk(a2k2+a2k1)\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^{n}k(a_{2k-2}+a_{2k-1})\qquad\text{……②}이다. ①에서 t=xkπ\displaystyle t=x-k\pi로 놓으면 치환적분법에 의하여ak=0π(t+kπ)f(t+kπ)dt\displaystyle a_k=\int_0^{\pi}(t+k\pi)f(t+k\pi)dt이다.

+10점 · k=1,2,3,\displaystyle k=1,2,3,\cdots에 대해 2(k1)π2kπxf(x)dx=2(2k1)π\displaystyle \int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}xf(x)dx=2(2k-1)\pi임을 보일 때 사용된 제시문의 조건을 정확히 제시할 수 있다.

이때 (가)와 (나)에 의해f(t+kπ)=f(π+{t+(k1)π})=f({t+(k1)π})(가)=f(t+(k1)π)(나)==f(t)\displaystyle \begin{aligned}f(t+k\pi)&=f(\pi+\{t+(k-1)\pi\})\\&=f(-\{t+(k-1)\pi\})\quad\because\text{(가)}\\&=f(t+(k-1)\pi)\quad\because\text{(나)}\\&=\cdots\\&=f(t)\end{aligned}이므로ak=0π(t+kπ)f(t)dt=0πtf(t)dt+kπ0πf(t)dt\displaystyle a_k=\int_0^{\pi}(t+k\pi)f(t)dt=\int_0^{\pi}tf(t)dt+k\pi\int_0^{\pi}f(t)dt이다. 문제 1-(1)에 의해 0πtf(t)dt=π2\displaystyle \int_0^{\pi}tf(t)dt=\frac{\pi}{2}이고 (다)에 의해 0πf(t)dt=1\displaystyle \int_0^{\pi}f(t)dt=1이므로ak=π2+kπ\displaystyle a_k=\frac{\pi}{2}+k\pi이다.

+5점 · 구하려는 합 Sn\displaystyle S_nSn=k=1nk(4k2)π\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^{n}k(4k-2)\pi임을 안다.

따라서 a2k2+a2k1=4k2\displaystyle a_{2k-2}+a_{2k-1}=4k-2이므로 이를 ②에 대입하여 정리하면 구하는 합 Sn\displaystyle S_nCorrection. 대학 답안의 a2k2+a2k1=4k2\displaystyle a_{2k-2}+a_{2k-1}=4k-2에는 π\displaystyle \pi가 빠져 있다. 오른쪽은 (4k2)π\displaystyle (4k-2)\pi이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Sn=k=1nk(4k2)π\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^{n}k(4k-2)\pi

+10점 · 구하려는 합 Sn\displaystyle S_nSn=n(n+1)(4n1)3\displaystyle S_n=\frac{n(n+1)(4n-1)}{3}임을 안다.

Correction. 채점기준의 최종 합에는 π\displaystyle \pi가 빠져 있다. 최종 합은 n(n+1)(4n1)3π\displaystyle \frac{n(n+1)(4n-1)}{3}\pi이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

=4πk=1nk22πk=1nk=4πn(n+1)(2n+1)62πn(n+1)2=n(n+1)(4n1)3\displaystyle \begin{aligned}&=4\pi\sum_{k=1}^{n}k^2-2\pi\sum_{k=1}^{n}k\\&=4\pi\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}-2\pi\frac{n(n+1)}{2}\\&=\frac{n(n+1)(4n-1)}{3}\end{aligned}Correction. 대학 답안의 최종 합에는 π\displaystyle \pi가 빠져 있다. 최종 합은 n(n+1)(4n1)3π\displaystyle \frac{n(n+1)(4n-1)}{3}\pi이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이다.

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