수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] (총 100점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 닫힌 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 곡선 y=e−xsin⁡nx\displaystyle y=e^{-x}\sin nx와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 할 때, lim⁡n→∞Sn\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n의 값을 구하여라.

해설강의 준비중

Sn=∫0π∣e−xsin⁡nx∣ dx\displaystyle S_n=\int_0^\pi|e^{-x}\sin nx|\,dx이다. 닫힌 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 방정식 e−xsin⁡nx=0\displaystyle e^{-x}\sin nx=0의 근은x=0,πn,⋯ ,(n−1)πn,π\displaystyle x=0,\frac\pi n,\cdots,\frac{(n-1)\pi}{n},\pi이다. k=1,⋯ ,n\displaystyle k=1,\cdots,n에 대해ak=∫(k−1)πnkπn∣e−xsin⁡nx∣ dx=∣∫(k−1)πnkπne−xsin⁡nx dx∣\displaystyle a_k=\int_{\frac{(k-1)\pi}{n}}^{\frac{k\pi}{n}}|e^{-x}\sin nx|\,dx=\left|\int_{\frac{(k-1)\pi}{n}}^{\frac{k\pi}{n}}e^{-x}\sin nx\,dx\right|라 하면 Sn=a1+a2+⋯+an\displaystyle S_n=a_1+a_2+\cdots+a_n이다. 부분적분법을 이용하면∫e−xsin⁡nx dx=−e−x(sin⁡nx+ncos⁡nx)n2+1\displaystyle \int e^{-x}\sin nx\,dx=-\frac{e^{-x}(\sin nx+n\cos nx)}{n^2+1}이다. 따라서 ak=∣∫(k−1)πnkπne−xsin⁡nx dx∣=ne−kπnn2+1(1+eπn)\displaystyle a_k=\left|\int_{\frac{(k-1)\pi}{n}}^{\frac{k\pi}{n}}e^{-x}\sin nx\,dx\right|=\frac{ne^{-\frac{k\pi}{n}}}{n^2+1}\left(1+e^{\frac\pi n}\right)이므로Sn=nn2+1∑k=1n{e−(k−1)πn+e−kπn}=2nn2+1∑k=1ne−kπn+nn2+1(1−e−πn)\displaystyle S_n=\frac{n}{n^2+1}\sum_{k=1}^n\left\{e^{-\frac{(k-1)\pi}{n}}+e^{-\frac{k\pi}{n}}\right\}=\frac{2n}{n^2+1}\sum_{k=1}^n e^{-\frac{k\pi}{n}}+\frac{n}{n^2+1}\left(1-e^{-\frac\pi n}\right)Correction. 합을 정리하면서 생긴 마지막 항의 1−e−π/n\displaystyle 1-e^{-\pi/n}은 1−e−π\displaystyle 1-e^{-\pi}가 맞다. 이 항은 여전히 0\displaystyle 0으로 수렴하므로 최종 극한값에는 영향이 없다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이다. 0≤1−e−πn≤1\displaystyle 0\le1-e^{-\frac\pi n}\le1이므로 수열의 극한값의 대소 관계에 의해lim⁡n→∞0≤lim⁡n→∞nn2+1(1−e−πn)≤lim⁡n→∞nn2+1=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}0\le\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}\left(1-e^{-\frac\pi n}\right)\le\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}=0이다. 따라서 lim⁡n→∞nn2+1(1−e−πn)=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}\left(1-e^{-\frac\pi n}\right)=0, lim⁡n→∞2n2n2+1=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2n^2}{n^2+1}=2이고, 정적분과 급수의 관계에 의해lim⁡n→∞1n∑k=1ne−kπn=∫01e−πx dx=1−e−ππ\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n e^{-\frac{k\pi}{n}}=\int_0^1e^{-\pi x}\,dx=\frac{1-e^{-\pi}}\pi이므로lim⁡n→∞Sn=lim⁡n→∞2n2n2+1⋅lim⁡n→∞1n∑k=1ne−kπn+lim⁡n→∞nn2+1(1−e−πn)=2(1−e−π)π\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=\lim_{n\to\infty}\frac{2n^2}{n^2+1}\cdot\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n e^{-\frac{k\pi}{n}}+\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}\left(1-e^{-\frac\pi n}\right)=\frac{2(1-e^{-\pi})}\pi이다.

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