수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (85점)

연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

f(x+2π)=f(x)+∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣\displaystyle f(x+2\pi)=f(x)+|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|

자연수 n\displaystyle n에 대하여 an=(−1)n2n∫02nπf(x) dx\displaystyle a_{n}=\dfrac{(-1)^{n}}{2n}\int_{0}^{2n\pi}f(x)\,dx라 할 때, ∑n=12024an\displaystyle \sum_{n=1}^{2024}a_{n}의 값을 구하여라.

해설강의 준비중
+20점 · f(x+2kπ)=f(x)+k(∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣)\displaystyle f(x+2k\pi)=f(x)+k\left(|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|\right)를 유도하면

∣cos⁡3x∣\displaystyle |\cos3x|와 ∣sin⁡x2∣\displaystyle \left|\sin\dfrac{x}{2}\right|는 주기가 각각 π3\displaystyle \dfrac{\pi}{3}, 2π\displaystyle 2\pi 이므로 문제의 조건을 여러 번 적용하면f(x+2kπ)=f(x)+k(∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣)(단, k는 자연수)\displaystyle f(x+2k\pi)=f(x)+k\left(|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|\right)\quad(\text{단},\ k\text{는 자연수})이다. 이제 A=∫02πf(x) dx\displaystyle A=\int_{0}^{2\pi}f(x)\,dx라 두자.

+20점 · ∫02π(∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣)dx=8\displaystyle \int_{0}^{2\pi}\left(|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|\right)dx=8를 계산하면

∫02π(∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣)dx=8\displaystyle \int_{0}^{2\pi}\left(|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|\right)dx=8이므로

+20점 · an=(−1)n(A2+2(n−1))\displaystyle a_{n}=(-1)^{n}\left(\frac{A}{2}+2(n-1)\right)을 얻으면

∫02nπf(x) dx=∑k=1n∫2π(k−1)2πkf(x) dx=∑k=1n∫02πf(x+2π(k−1)) dx=∑k=1n∫02π(f(x)+(k−1)(∣cos⁡3x∣+∣sin⁡x2∣))dx=∑k=1n(A+8(k−1))=nA+4n(n−1)\displaystyle \begin{aligned} \int_{0}^{2n\pi}f(x)\,dx &=\sum_{k=1}^{n}\int_{2\pi(k-1)}^{2\pi k}f(x)\,dx=\sum_{k=1}^{n}\int_{0}^{2\pi}f(x+2\pi(k-1))\,dx=\sum_{k=1}^{n}\int_{0}^{2\pi}\left(f(x)+(k-1)\left(|\cos3x|+\left|\sin\frac{x}{2}\right|\right)\right)dx \\ &=\sum_{k=1}^{n}(A+8(k-1))=nA+4n(n-1) \end{aligned}이다. 따라서 an=(−1)n(A2+2(n−1))\displaystyle a_{n}=(-1)^{n}\left(\dfrac{A}{2}+2(n-1)\right)이며,

+25점 · ∑n=12024an\displaystyle \sum_{n=1}^{2024}a_{n}을 구하면

∑n=12024an=∑n=11012a2n+∑n=11012a2n−1=∑n=11012(A2+2(2n−1))−∑n=11012(A2+2(2n−2))=∑n=110122=2024.\displaystyle \sum_{n=1}^{2024}a_{n}=\sum_{n=1}^{1012}a_{2n}+\sum_{n=1}^{1012}a_{2n-1}=\sum_{n=1}^{1012}\left(\frac{A}{2}+2(2n-1)\right)-\sum_{n=1}^{1012}\left(\frac{A}{2}+2(2n-2)\right)=\sum_{n=1}^{1012}2=2024.

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