수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+40점 · 두 수열의 합을 로그의 성질을 이용하여 올바르게 정리한다.

자연수 n\displaystyle n에 대하여 자연로그의 성질을 이용하면an=n(lnn)22lnnk=n+12nlnk=k=n+12n{(lnn)22(lnn)(lnk)}\displaystyle a_{n}=n(\ln n)^{2}-2\ln n\sum_{k=n+1}^{2n}\ln k=\sum_{k=n+1}^{2n}\{(\ln n)^{2}-2(\ln n)(\ln k)\}이므로,an+bn=k=n+12n(lnklnn)2=k=n+12n{ln(kn)}2=k=1n{ln(1+kn)}2\displaystyle a_{n}+b_{n}=\sum_{k=n+1}^{2n}(\ln k-\ln n)^{2}=\sum_{k=n+1}^{2n}\left\{\ln\left(\frac{k}{n}\right)\right\}^{2}=\sum_{k=1}^{n}\left\{\ln\left(1+\frac{k}{n}\right)\right\}^{2}이다.

+25점 · 구하는 극한을 정적분 또는 그와 동치인 식으로 나타낸다.

정적분과 급수의 합 사이의 관계로부터limn(an+bnn)=limn1nk=1n{ln(1+kn)}2=01{ln(1+x)}2dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac{a_{n}+b_{n}}{n}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\left\{\ln\left(1+\frac{k}{n}\right)\right\}^{2}=\int_{0}^{1}\{\ln(1+x)\}^{2}\,dx이다.

+40점 · 계산을 마쳐 극한값을 올바르게 구한다.

한편 부분적분법을 이용하면01{ln(1+x)}2dx=12(lnx)2dx=[x(lnx)2]1212(x×2lnxx)dx=2(ln2)2212lnxdx\displaystyle \int_{0}^{1}\{\ln(1+x)\}^{2}\,dx=\int_{1}^{2}(\ln x)^{2}\,dx=\Biggl[x(\ln x)^{2}\Biggr]_{1}^{2}-\int_{1}^{2}\left(x\times\frac{2\ln x}{x}\right)dx=2(\ln2)^{2}-2\int_{1}^{2}\ln x\,dx이고12lnxdx=[xlnxx]12=(2ln22)(1)=2ln21\displaystyle \int_{1}^{2}\ln x\,dx=\Biggl[x\ln x-x\Biggr]_{1}^{2}=(2\ln2-2)-(-1)=2\ln2-1이므로01{ln(1+x)}2dx=2(ln2)24ln2+2\displaystyle \int_{0}^{1}\{\ln(1+x)\}^{2}\,dx=2(\ln2)^{2}-4\ln2+2이다.따라서limn(an+bnn)=01{ln(1+x)}2dx=2(ln2)24ln2+2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac{a_{n}+b_{n}}{n}\right)=\int_{0}^{1}\{\ln(1+x)\}^{2}\,dx=2(\ln2)^{2}-4\ln2+2이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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