수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

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해설강의 준비중
+40점 · k\displaystyle k의 범위에 따라 경우를 나누어 0kπsinx2ndx\displaystyle \int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx의 값을 구한다.

먼저 자연수 k=1,2,,3n\displaystyle k=1,\,2,\,\cdots,\,3n에 대해 적분값0kπsinx2ndx\displaystyle \int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx을 구하자.

(i) k=1,2,,2n\displaystyle k=1,\,2,\,\cdots,\,2n인 경우0x2nπ\displaystyle 0\le x\le2n\pi에서 sinx2n0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\ge0이므로0kπsinx2ndx=0kπsinx2ndx=[2ncosx2n]0kπ=2n(1coskπ2n)\displaystyle \int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx=\int_{0}^{k\pi}\sin\frac{x}{2n}\,dx=\Biggl[-2n\cos\frac{x}{2n}\Biggr]_{0}^{k\pi}=2n\left(1-\cos\frac{k\pi}{2n}\right)이다.

(ii) k=2n+1,2n+2,,3n\displaystyle k=2n+1,\,2n+2,\,\cdots,\,3n인 경우0x<2nπ\displaystyle 0\le x<2n\pi에서 sinx2n0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\ge0이고, 2nπx3nπ\displaystyle 2n\pi\le x\le3n\pi에서 sinx2n0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\le0이므로0kπsinx2ndx=02nπsinx2ndx+2nπkπ(sinx2n)dx=[2ncosx2n]02nπ+[2ncosx2n]2nπkπ=2n(3+coskπ2n)\displaystyle \int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx=\int_{0}^{2n\pi}\sin\frac{x}{2n}\,dx+\int_{2n\pi}^{k\pi}\left(-\sin\frac{x}{2n}\right)dx=\Biggl[-2n\cos\frac{x}{2n}\Biggr]_{0}^{2n\pi}+\Biggl[2n\cos\frac{x}{2n}\Biggr]_{2n\pi}^{k\pi}=2n\left(3+\cos\frac{k\pi}{2n}\right)이다.

+35점 · Tn\displaystyle T_{n}을 구한다.

위 (i)과 (ii)에 의해Tn=k=1n1n2{0kπsinx2ndx+0(n+k)πsinx2ndx+0(2n+k)πsinx2ndx}=k=1n1n[2(1coskπ2n)+2{1cos(n+k)π2n}+2{3+cos(2n+k)π2n}]=10+1nk=1n(4coskπ2n+2sinkπ2n)\displaystyle \begin{aligned} T_{n} &=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{n^{2}}\left\{\int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx+\int_{0}^{(n+k)\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx+\int_{0}^{(2n+k)\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx\right\} \\ &=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{n}\left[2\left(1-\cos\frac{k\pi}{2n}\right)+2\left\{1-\cos\frac{(n+k)\pi}{2n}\right\}+2\left\{3+\cos\frac{(2n+k)\pi}{2n}\right\}\right] \\ &=10+\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\left(-4\cos\frac{k\pi}{2n}+2\sin\frac{k\pi}{2n}\right) \end{aligned}이다.

+40점 · 정적분과 급수의 합 사이의 관계로부터 limnTn\displaystyle \lim_{n\to\infty}T_{n}의 값을 구한다.

따라서 정적분과 급수의 합 사이의 관계로부터limnTn=10+limn1nk=1n(4coskπ2n+2sinkπ2n)=10+01(4cosπ2x+2sinπ2x)dx=10+[8πsinπ2x4πcosπ2x]01=104π\displaystyle \begin{aligned} \lim_{n\to\infty}T_{n} &=10+\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\left(-4\cos\frac{k\pi}{2n}+2\sin\frac{k\pi}{2n}\right) \\ &=10+\int_{0}^{1}\left(-4\cos\frac{\pi}{2}x+2\sin\frac{\pi}{2}x\right)dx \\ &=10+\Biggl[-\frac{8}{\pi}\sin\frac{\pi}{2}x-\frac{4}{\pi}\cos\frac{\pi}{2}x\Biggr]_{0}^{1}=10-\frac{4}{\pi} \end{aligned}이다.

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