수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

오류 제보
해설강의 바로가기 ↓

문제

【문제 2】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (45점)

(가) 점 A1(a1,0)\displaystyle A_1(a_1,0)을 지나고 x\displaystyle x축에 수직인 직선이 곡선 f(x)=ecx (c>0)\displaystyle f(x)=e^{cx}\ (c>0)과 만나는 점을 B1\displaystyle B_1이라고 하고, 이 곡선 위의 점 B1\displaystyle B_1에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 A2(a2,0)\displaystyle A_2(a_2,0)라고 하자.

(나) 다음 그림과 같이, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여, 점 An(an,0)\displaystyle A_n(a_n,0)을 지나고 x\displaystyle x축에 수직인 직선이 곡선 f(x)=ecx (c>0)\displaystyle f(x)=e^{cx}\ (c>0)와 만나는 점을 Bn(an,f(an))\displaystyle B_n(a_n,f(a_n))이라고 하고, 이 곡선 위의 점 Bn\displaystyle B_n에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 An+1(an+1,0)\displaystyle A_{n+1}(a_{n+1},0)이라고 하자.

(다) 자연수 N>1\displaystyle N>1에 대하여 a1=N\displaystyle a_1=N이다.

(라) Sn\displaystyle S_n은 삼각형 AnBnAn+1\displaystyle A_nB_nA_{n+1}의 넓이이다.

지수함수의 접선과 x축으로 이루어진 삼각형

(문제 2-1) S1\displaystyle S_1을 구하시오. (10점)

(문제 2-2) Sn\displaystyle S_n을 구하시오. (10점)

(문제 2-3) ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_n을 구하시오. (5점)

(문제 2-4) c=1\displaystyle c=1인 경우, f(an)<0.1\displaystyle f(a_n)<0.1인 자연수 n\displaystyle n의 최솟값을 N\displaystyle N에 관한 식으로 표현하시오. (20점) (단, 자연상수 e\displaystyle e는 2.7로 계산한다.)

(문제 2-1) 배점 10점

(정답) S1=ecN2c\displaystyle S_1=\frac{e^{cN}}{2c}

(풀이)

제시문으로부터

f(x)=ecx\displaystyle f(x)=e^{cx}이므로 f′(x)=cecx\displaystyle f^{\prime}(x)=ce^{cx}

An(an,0)\displaystyle A_n(a_n,0)에서 접선의 방정식은 y=f′(an)(x−an)+f(an)\displaystyle y=f^{\prime}(a_n)(x-a_n)+f(a_n)Correction. 곡선 위의 접점은 An\displaystyle A_n이 아니라 Bn(an,f(an))\displaystyle B_n(a_n,f(a_n))이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

이 함수의 x\displaystyle x절편은 0=f′(an)(an+1−an)+f(an)\displaystyle 0=f^{\prime}(a_n)(a_{n+1}-a_n)+f(a_n)로 부터 an+1=an−f(an)f′(an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{f(a_n)}{f^{\prime}(a_n)}

따라서 a2=a1−f(a1)f′(a1)=N−ecNcecN=N−1c\displaystyle a_2=a_1-\frac{f(a_1)}{f^{\prime}(a_1)}=N-\frac{e^{cN}}{ce^{cN}}=N-\frac1c

삼각형 A1B1A2\displaystyle A_1B_1A_2의 밑변의 길이는 ∣a2−a1∣=∣N−1c−N∣=1c\displaystyle |a_2-a_1|=\left|N-\frac1c-N\right|=\frac1c이고,

높이는 f(a1)=f(N)=ecN\displaystyle f(a_1)=f(N)=e^{cN}이므로

A1B1A2\displaystyle A_1B_1A_2의 넓이(S1\displaystyle S_1)는 121cecN=ecN2c\displaystyle \frac12\frac1ce^{cN}=\frac{e^{cN}}{2c}

(문제 2-2) 배점 10점

(정답) Sn=ecN−(n−1)2c\displaystyle S_n=\frac{e^{cN-(n-1)}}{2c}

(풀이)

a2=N−1c\displaystyle a_2=N-\frac1c

f(a2)=f(N−1c)=ec(N−1c)\displaystyle f(a_2)=f\left(N-\frac1c\right)=e^{c\left(N-\frac1c\right)},

a3=a2−f(a2)f′(a2)=(N−1c)−ec(N−1c)cec(N−1c)=N−1c−1c=N−2c\displaystyle a_3=a_2-\frac{f(a_2)}{f^{\prime}(a_2)}=\left(N-\frac1c\right)-\frac{e^{c\left(N-\frac1c\right)}}{ce^{c\left(N-\frac1c\right)}}=N-\frac1c-\frac1c=N-\frac2c

f(a3)=f(N−2c)=ec(N−2c)\displaystyle f(a_3)=f\left(N-\frac2c\right)=e^{c\left(N-\frac2c\right)}, a4=a3−f(a3)f′(a3)=(N−2c)−ec(N−2c)cec(N−2c)=N−2c−1c=N−3c\displaystyle a_4=a_3-\frac{f(a_3)}{f^{\prime}(a_3)}=\left(N-\frac2c\right)-\frac{e^{c\left(N-\frac2c\right)}}{ce^{c\left(N-\frac2c\right)}}=N-\frac2c-\frac1c=N-\frac3c

f(a4)=f(N−3c)=ec(N−3c)\displaystyle f(a_4)=f\left(N-\frac3c\right)=e^{c\left(N-\frac3c\right)}

⋮

an+1=an−f(an)f′(an)=(N−n−1c)−ec(N−n−1c)cec(N−n−1c)=N−n−1c−1c=N−nc\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{f(a_n)}{f^{\prime}(a_n)}=\left(N-\frac{n-1}c\right)-\frac{e^{c\left(N-\frac{n-1}c\right)}}{ce^{c\left(N-\frac{n-1}c\right)}}=N-\frac{n-1}c-\frac1c=N-\frac nc

an+1=(N−nc)\displaystyle a_{n+1}=\left(N-\frac nc\right), an=(N−n−1c)\displaystyle a_n=\left(N-\frac{n-1}c\right)

삼각형 밑변의 길이는 ∣an+1−an∣=∣(N−nc)−(N−n−1c)∣=1c\displaystyle |a_{n+1}-a_n|=\left|\left(N-\frac nc\right)-\left(N-\frac{n-1}c\right)\right|=\frac1c

높이는 f(an)=ec(N−n−1c)\displaystyle f(a_n)=e^{c\left(N-\frac{n-1}c\right)}

삼각형의 넓이는 Sn=12∣(an+1−an)∣f(an)=121cec(N−n−1c)=ecN−n+12c\displaystyle S_n=\frac12|(a_{n+1}-a_n)|f(a_n)=\frac12\frac1ce^{c\left(N-\frac{n-1}c\right)}=\frac{e^{cN-n+1}}{2c}

(문제 2-3) 배점 5점

(정답) ∑n=1∞Sn=ecN+12c(e−1)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_n=\frac{e^{cN+1}}{2c(e-1)}

(풀이)

넓이의 합 ∑n=1∞Sn=∑n=1∞ecN−n+12c=ecN+12c∑n=1∞e−n\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_n=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{e^{cN-n+1}}{2c}=\frac{e^{cN+1}}{2c}\sum_{n=1}^{\infty}e^{-n}

∑n=1∞e−n\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}e^{-n}는 첫 번째 항이 e−1\displaystyle e^{-1}이고, 공비가 e−1\displaystyle e^{-1}인 등비수열의 합이므로

∑n=1∞e−n=e−11−e−1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}e^{-n}=\frac{e^{-1}}{1-e^{-1}}

∑n=1∞Sn=ecN+12c∑n=1∞e−n=ecN+12ce−11−e−1=ecN+12c(e−1)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_n=\frac{e^{cN+1}}{2c}\sum_{n=1}^{\infty}e^{-n}=\frac{e^{cN+1}}{2c}\frac{e^{-1}}{1-e^{-1}}=\frac{e^{cN+1}}{2c(e-1)}

등비수열의 합을 이용해 면적의 합을 구하면

(문제 2-4) 배점 20점

(정답) N+4\displaystyle N+4

(풀이)

f(an)=ec(N−n−1c)\displaystyle f(a_n)=e^{c\left(N-\frac{n-1}c\right)}에서 c=1\displaystyle c=1이면,

f(an)=e(N−n+1)\displaystyle f(a_n)=e^{(N-n+1)}이고,

f(an+1)=e(N−(n+1)+1)=e(N−n)\displaystyle f(a_{n+1})=e^{(N-(n+1)+1)}=e^{(N-n)}이다.

이때 n=N+1\displaystyle n=N+1이면

f(aN+1)=e(N−(N+1)+1)=e0=1\displaystyle f(a_{N+1})=e^{(N-(N+1)+1)}=e^0=1이다.

f(an+1)f(an)=e(N−n)e(N−n+1)=1e\displaystyle \frac{f(a_{n+1})}{f(a_n)}=\frac{e^{(N-n)}}{e^{(N-n+1)}}=\frac1e이므로 f(an+1)=1ef(an)\displaystyle f(a_{n+1})=\frac1ef(a_n)

따라서 f(aN+2)f(aN+1)=1e\displaystyle \frac{f(a_{N+2})}{f(a_{N+1})}=\frac1e이고, f(aN+2)=1ef(aN+1)=1e\displaystyle f(a_{N+2})=\frac1ef(a_{N+1})=\frac1e이다.

f(aN+2)=1ef(aN+1)=1e≈12.7≈.370 (>0.1)\displaystyle f(a_{N+2})=\frac1ef(a_{N+1})=\frac1e\approx\frac1{2.7}\approx.370\ (>0.1)

f(aN+3)=1ef(aN+2)=1e1ef(aN+1)=1e2≈12.72≈0.137 (>0.1)\displaystyle f(a_{N+3})=\frac1ef(a_{N+2})=\frac1e\frac1ef(a_{N+1})=\frac1{e^2}\approx\frac1{2.7^2}\approx0.137\ (>0.1)

f(aN+4)=1e3≈12.73=0.051 (<0.1)\displaystyle f(a_{N+4})=\frac1{e^3}\approx\frac1{2.7^3}=0.051\ (<0.1)

n\displaystyle n이 증가할수록 f(an)\displaystyle f(a_n)은 점점 작아지므로 f(an)<0.1\displaystyle f(a_n)<0.1인 자연수 n\displaystyle n의 최솟값은 N+4\displaystyle N+4이다.

[문제 2-1] (10점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지 마치지못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 2-2] (10점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지 마치지못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 2-3] (5점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지 마치지못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 2-4] (20점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지 마치지못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.