수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

[문제 2]

닮음의 중심이 원점 O\displaystyle \mathrm{O}이고 닮음비가 eθ\displaystyle e^{- \theta}인 닮음변환을 f\displaystyle f라 하고, 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 중심으로 각 θ\displaystyle \theta만큼 회전시키는 회전변환을 g\displaystyle g라 할 때, f\displaystyle fg\displaystyle g의 합성변환 h\displaystyle h를 나타내는 행렬은 다음과 같다.A=(eθcosθeθsinθeθsinθeθcosθ)\displaystyle A=\begin{pmatrix}e^{-\theta}\cos\theta&-e^{-\theta}\sin\theta\\e^{-\theta}\sin\theta&e^{-\theta}\cos\theta\end{pmatrix}자연수 n\displaystyle n에 대해 점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_{n}을 다음과 같이 정의할 때, 다음 물음에 답하여라.P0=(1,0),Pn=h(Pn1)(n=1,2,3,)\displaystyle \mathrm{P}_{0} = ( 1 , 0 ) , \mathrm{P}_{n} = h ( \mathrm{P}_{n - 1} ) ( n = 1 , 2 , 3 , \cdots )

(a) 선분 Pn1Pn\displaystyle \mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n의 길이를 θ\displaystyle \theta에 관한 식으로 나타내어라. [40점]

(b) limθ0cos(OPn1Pn)\displaystyle \lim_{\theta\to0}\cos(\angle\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n)의 값을 구하여라. [60점]

해설강의 준비중

(a) (총 40점)

+20점

닮음의 중심이 원점이고 닮음비가 eθ\displaystyle e^{- \theta}인 닮음변환 f\displaystyle f의 행렬 표현을 L\displaystyle L이라 하고 원점을 중심으로 하여 각 θ\displaystyle \theta만큼 회전시키는 회전변환 g\displaystyle g의 행렬 표현을 R\displaystyle R이라 두면 두 행렬은 다음과 같다.L=(eθ00eθ),R=(cosθsinθsinθcosθ)\displaystyle L=\begin{pmatrix}e^{-\theta}&0\\0&e^{-\theta}\end{pmatrix},\quad R=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}그런데 A=LR=RL\displaystyle A = LR = RL이므로An=(LR)n=LnRn=(enθ00enθ)(cosnθsinnθsinnθcosnθ)=(enθcosnθenθsinnθenθsinnθenθcosnθ)\displaystyle A^n=(LR)^n=L^nR^n=\begin{pmatrix}e^{-n\theta}&0\\0&e^{-n\theta}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\cos n\theta&-\sin n\theta\\\sin n\theta&\cos n\theta\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}e^{-n\theta}\cos n\theta&-e^{-n\theta}\sin n\theta\\e^{-n\theta}\sin n\theta&e^{-n\theta}\cos n\theta\end{pmatrix}이다. 따라서 Pn=APn1\displaystyle \mathrm{P}_{n} = AP_{n - 1}을 귀납적으로 적용하면 다음을 얻는다.Pn=AnP0=(enθcosnθenθsinnθ)\displaystyle \mathrm{P}_n=A^n\mathrm{P}_0=\begin{pmatrix}e^{-n\theta}\cos n\theta\\e^{-n\theta}\sin n\theta\end{pmatrix}

+20점

한편, A=LR\displaystyle A = LR 이고 L\displaystyle L은 닮음변환, R\displaystyle R은 각 θ\displaystyle \theta만큼 회전시키는 회전변환을 나타내므로 Pn1OPn=θ\displaystyle \angle \mathrm{P}_{n - 1} \mathrm{OP}_{n} = \theta이다. 따라서 삼각형 Pn1OPn\displaystyle \mathrm{P}_{n - 1} \mathrm{OP}_{n}에 코사인법칙을 적용하면 다음을 얻는다.Pn1Pn=OPn12+OPn22OPn1OPncos(Pn1OPn)=e2(n1)θ+e2nθ2e(n1)θenθcosθ=enθe2θ+12eθcosθ\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n}&=\sqrt{\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}}^2+\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_n}^2-2\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}}\,\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_n}\cos(\angle\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{O}\mathrm{P}_n)}\\&=\sqrt{e^{-2(n-1)\theta}+e^{-2n\theta}-2e^{-(n-1)\theta}e^{-n\theta}\cos\theta}\\&=e^{-n\theta}\sqrt{e^{2\theta}+1-2e^\theta\cos\theta}\end{aligned}

(b) (총 60점)

+30점

삼각형 Pn1OPn\displaystyle \mathrm{P}_{n - 1} \mathrm{OP}_{n}에 코사인법칙을 적용하면 다음을 얻는다.cos(OPn1Pn)=OPn12+Pn1Pn2OPn22OPn1Pn1Pn=e2nθ+2θ+e2nθ(e2θ+12eθcosθ)e2nθ2enθ+θenθe2θ+12eθcosθ=eθcosθe2θ+12eθcosθ\displaystyle \begin{aligned}\cos(\angle\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n)&=\frac{\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}}^2+\overline{\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n}^2-\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_n}^2}{2\overline{\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}}\,\overline{\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n}}\\&=\frac{e^{-2n\theta+2\theta}+e^{-2n\theta}(e^{2\theta}+1-2e^\theta\cos\theta)-e^{-2n\theta}}{2e^{-n\theta+\theta}e^{-n\theta}\sqrt{e^{2\theta}+1-2e^\theta\cos\theta}}\\&=\frac{e^\theta-\cos\theta}{\sqrt{e^{2\theta}+1-2e^\theta\cos\theta}}\end{aligned}

+30점

그런데limθ0eθ1θ=1,\displaystyle \lim_{\theta\to0}\frac{e^\theta-1}\theta=1,limθ0sinθθ=1,\displaystyle \lim_{\theta\to0}\frac{\sin\theta}\theta=1,limθ01cosθθ=limθ0(1cosθ)(1+cosθ)θ(1+cosθ)=limθ0sin2θθ2θ1+cosθ=10=0,\displaystyle \lim_{\theta\to0}\frac{1-\cos\theta}\theta=\lim_{\theta\to0}\frac{(1-\cos\theta)(1+\cos\theta)}{\theta(1+\cos\theta)}=\lim_{\theta\to0}\frac{\sin^2\theta}{\theta^2}\frac\theta{1+\cos\theta}=1\cdot0=0,limθ0eθcosθθ=limθ0(eθ1θ+1cosθθ)=1+0=1,\displaystyle \lim_{\theta\to0}\frac{e^\theta-\cos\theta}\theta=\lim_{\theta\to0}\left(\frac{e^\theta-1}\theta+\frac{1-\cos\theta}\theta\right)=1+0=1,limθ01cos2θθ2=limθ0sin2θθ2=1\displaystyle \lim_{\theta\to0}\frac{1-\cos^2\theta}{\theta^2}=\lim_{\theta\to0}\frac{\sin^2\theta}{\theta^2}=1이므로 다음을 얻는다.limθ0cos(OPn1Pn)=limθ0eθcosθe2θ+12eθcosθ=limθ0eθcosθ(eθcosθ)2+1cos2θ=limθ0eθcosθθ(eθcosθθ)2+1cos2θθ2=112+1=12\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\theta\to0}\cos(\angle\mathrm{O}\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{P}_n)&=\lim_{\theta\to0}\frac{e^\theta-\cos\theta}{\sqrt{e^{2\theta}+1-2e^\theta\cos\theta}}\\&=\lim_{\theta\to0}\frac{e^\theta-\cos\theta}{\sqrt{(e^\theta-\cos\theta)^2+1-\cos^2\theta}}\\&=\lim_{\theta\to0}\frac{\frac{e^\theta-\cos\theta}\theta}{\sqrt{\left(\frac{e^\theta-\cos\theta}\theta\right)^2+\frac{1-\cos^2\theta}{\theta^2}}}\\&=\frac1{\sqrt{1^2+1}}\\&=\frac1{\sqrt2}\end{aligned}Comment. 대학 답안의 극한값 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}θ0+\displaystyle \theta\to0^+일 때의 값이다. 음의 회전각도 허용하면 좌극한은 12\displaystyle -\frac1{\sqrt2}이므로 양쪽 극한은 존재하지 않는다.

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