수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

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(a) cos3θ=cos(θ+2θ)=cosθcos2θsinθsin2θ=cosθ(2cos2θ1)sinθ(2sinθcosθ)=2cos3θcosθ2sin2θcosθ=2cos3θcosθ2(1cos2θ)cosθ=4cos3θ3cosθ\displaystyle \begin{aligned}\cos3\theta&=\cos(\theta+2\theta)=\cos\theta\cos2\theta-\sin\theta\sin2\theta\\&=\cos\theta(2\cos^2\theta-1)-\sin\theta(2\sin\theta\cos\theta)=2\cos^3\theta-\cos\theta-2\sin^2\theta\cos\theta\\&=2\cos^3\theta-\cos\theta-2(1-\cos^2\theta)\cos\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta\end{aligned}

(b) x=100cos4π9\displaystyle x = 100 \cos \frac{{4 \pi}}{9}라 하자. (a)에 의하여12=cos(34π9)=4cos34π93cos4π9\displaystyle -\frac12=\cos\left(3\cdot\frac{4\pi}9\right)=4\cos^3\frac{4\pi}9-3\cos\frac{4\pi}9이므로8cos34π96cos4π9+1=0\displaystyle 8 \cos^{3} \frac{{4 \pi}}{9} - 6 \cos \frac{{4 \pi}}{9} + 1 = 0이다. 이 식에 cos4π9=x100\displaystyle \cos \frac{{4 \pi}}{9} = \frac{x}{100}을 대입하면8x360000x+1000000=0\displaystyle 8 x^{3} - 60000 x + 1000000 = 0이다. 이제f(x)=8x360000x+1000000\displaystyle f ( x ) = 8 x^{3} - 60000 x + 1000000라 하면f(x)=24x260000=24(x50)(x+50)\displaystyle f^{\prime} ( x ) = 24 x^{2} - 60000 = 24 ( x - 50 ) ( x + 50 )이므로, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )x=50\displaystyle x = - 50일 때 극댓값 3000000\displaystyle 3000000을 갖고, x=50\displaystyle x = 50일 때 극솟값 -1000000을 갖는다. 그러므로 방정식 f(x)=0\displaystyle f ( x )= 0의 근은 구간 (,50),(50,50),(50,)\displaystyle ( - \infty , - 50 ) , ( - 50 , 50 ) , ( 50 , \infty )에 각각 하나씩 존재한다. 한편π3<4π9<π2\displaystyle \frac{\pi}{3} < \frac{{4 \pi}}{9} < \frac{\pi}{2}이므로0=cosπ2<cos4π9<cosπ3=12\displaystyle 0 = \cos \frac{\pi}{2} < \cos 4 \frac{\pi}{9} < \cos \frac{\pi}{3} = \frac{1}{2}이다. 그러므로0<x=100cos4π9<50\displaystyle 0 < x = 100 \cos 4 \frac{\pi}{9} < 50이다.

0과 50 사이에 존재하는 근의 범위를 찾기 위하여 주어진 표를 이용하면 다음을 얻는다.f(17)=19304>0\displaystyle f ( 17 ) = 19304 > 0f(18)=33344<0\displaystyle f ( 18 ) = - 33344 < 0따라서 중간값의 정리에 의하여 방정식 f(x)=0\displaystyle f ( x ) = 017<x<18\displaystyle 17 < x < 18에서 해를 갖는다.그러므로 x=100cos4π9\displaystyle x = 100 \cos 4 \frac{\pi}{9}의 정수 부분은 17이다.

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