수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

오류 제보

문제

[문제 4] (115점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여Tn=∑k=13n1n2∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx\displaystyle T_{n}=\sum_{k=1}^{3n}\frac{1}{n^{2}}\int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx라 할 때, lim⁡n→∞Tn\displaystyle \lim_{n\to\infty}T_{n}의 값을 구하여라.

해설강의 준비중
+40점 · k\displaystyle k의 범위에 따라 경우를 나누어 ∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx\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 적분값∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx\displaystyle \int_{0}^{k\pi}\left|\sin\frac{x}{2n}\right|dx을 구하자.

(i) k=1, 2, ⋯ , 2n\displaystyle k=1,\,2,\,\cdots,\,2n인 경우0≤x≤2nπ\displaystyle 0\le x\le2n\pi에서 sin⁡x2n≥0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\ge0이므로∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx=∫0kπsin⁡x2n dx=[−2ncos⁡x2n]0kπ=2n(1−cos⁡kπ2n)\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 경우0≤x<2nπ\displaystyle 0\le x<2n\pi에서 sin⁡x2n≥0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\ge0이고, 2nπ≤x≤3nπ\displaystyle 2n\pi\le x\le3n\pi에서 sin⁡x2n≤0\displaystyle \sin\dfrac{x}{2n}\le0이므로∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx=∫02nπsin⁡x2n dx+∫2nπkπ(−sin⁡x2n)dx=[−2ncos⁡x2n]02nπ+[2ncos⁡x2n]2nπkπ=2n(3+cos⁡kπ2n)\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{∫0kπ∣sin⁡x2n∣dx+∫0(n+k)π∣sin⁡x2n∣dx+∫0(2n+k)π∣sin⁡x2n∣dx}=∑k=1n1n[2(1−cos⁡kπ2n)+2{1−cos⁡(n+k)π2n}+2{3+cos⁡(2n+k)π2n}]=10+1n∑k=1n(−4cos⁡kπ2n+2sin⁡kπ2n)\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 lim⁡n→∞Tn\displaystyle \lim_{n\to\infty}T_{n}의 값을 구한다.

따라서 정적분과 급수의 합 사이의 관계로부터lim⁡n→∞Tn=10+lim⁡n→∞1n∑k=1n(−4cos⁡kπ2n+2sin⁡kπ2n)=10+∫01(−4cos⁡π2x+2sin⁡π2x)dx=10+[−8πsin⁡π2x−4πcos⁡π2x]01=10−4π\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.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.