수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 5번

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접선의 방정식

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+1점 · [5-1] 기하적 조건에서 수열을 결정할 관계를 구한다.

[문제 5-1] f(x)=x2\displaystyle f(x)=x^{2}이라 하자.(xn,xn2)\displaystyle \left(x_{n},x_{n}^{2}\right)에서 곡선 y=x2\displaystyle y=x^{2}에 접하는 직선의 방정식은 yf(xn)=f(xn)(xxn)\displaystyle y-f(x_{n})=f^{\prime}(x_{n})(x-x_{n})이다.

+2점 · [5-1] 수열의 항들 사이의 관계를 올바르게 구한다.

f(x)=2x\displaystyle f^{\prime}(x)=2x이므로 xn+1=f(xn)f(xn)+xn\displaystyle x_{n+1}=-\frac{f(x_{n})}{f^{\prime}(x_{n})}+x_{n}에서 xn+1=12xn\displaystyle x_{n+1}=\frac{1}{2}x_{n}이다.

+2점 · [5-1] 조건을 만족하는 값을 올바르게 계산한다.

수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}은 첫째항이 k\displaystyle k이고 공비가 12\displaystyle \frac{1}{2}인 등비수열이므로ak=n=1xn=n=1k×(12)n1=k112=2k\displaystyle a_{k}=\sum_{n=1}^{\infty}x_{n}=\sum_{n=1}^{\infty}k\times\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}=\frac{k}{1-\frac{1}{2}}=2k이다.따라서 a2025=4050\displaystyle a_{2025}=4050

포물선 y=x^2 위의 점 (k,k^2)에서 그은 접선이 x축과 만나는 점이 x_2이고, 그 점에서 다시 그은 접선이 x_3에서 만나는 식으로 x절편이 절반씩 줄어드는 모습이 그려져 있다.
+5점 · [5-2] 주어진 합 또는 수열을 올바르게 정리한다.

[문제 5-2] 주어진 l\displaystyle l에 수직인 직선의 방정식은 y=14k(x2k)+4k2\displaystyle y=-\frac{1}{4k}(x-2k)+4k^{2}이므로 bk=16k3+2k\displaystyle b_{k}=16k^{3}+2k이다.

포물선 위의 점 (a_k, a_k^2)에서 그은 접선과 그에 수직인 직선이 그려져 있고, 접점에서 x축에 내린 수선의 발 (a_k,0)=(2k,0)과 법선의 x절편 (b_k,0)=(16k^3+2k,0)이 표시되어 있다.
+5점 · [5-2] 극한을 계산할 수 있는 식이나 관계를 구한다.

cm=(a13bmam+1)a12m3×(a23bmam+1)a22m3××(am3bmam+1)am2m3\displaystyle c_{m}=\left(\frac{a_{1}^{3}}{b_{m}-a_{m}}+1\right)^{\frac{a_{1}^{2}}{m^{3}}}\times\left(\frac{a_{2}^{3}}{b_{m}-a_{m}}+1\right)^{\frac{a_{2}^{2}}{m^{3}}}\times\cdots\times\left(\frac{a_{m}^{3}}{b_{m}-a_{m}}+1\right)^{\frac{a_{m}^{2}}{m^{3}}}이라 하자.bmam=16m3\displaystyle b_{m}-a_{m}=16m^{3}이므로cm=(132×m3+1)4×12m3×(232×m3+1)4×22m3×(332×m3+1)4×32m3××(m32×m3+1)4×m2m3\displaystyle c_{m}=\left(\frac{1^{3}}{2\times m^{3}}+1\right)^{\frac{4\times 1^{2}}{m^{3}}}\times\left(\frac{2^{3}}{2\times m^{3}}+1\right)^{\frac{4\times 2^{2}}{m^{3}}}\times\left(\frac{3^{3}}{2\times m^{3}}+1\right)^{\frac{4\times 3^{2}}{m^{3}}}\times\cdots\times\left(\frac{m^{3}}{2\times m^{3}}+1\right)^{\frac{4\times m^{2}}{m^{3}}}

limmcm=α\displaystyle \lim_{m\to\infty}c_{m}=\alpha라 하자.lncm=k=1m4k2m3ln{12(km)3+1}\displaystyle \ln c_{m}=\sum_{k=1}^{m}\frac{4k^{2}}{m^{3}}\ln\left\{\frac{1}{2}\left(\frac{k}{m}\right)^{3}+1\right\}이므로limmlncm=limmk=1m4k2m3ln{12(km)3+1}=014x2ln(x32+1)dx\displaystyle \begin{aligned} \lim_{m\to\infty}\ln c_{m} &=\lim_{m\to\infty}\sum_{k=1}^{m}\frac{4k^{2}}{m^{3}}\ln\left\{\frac{1}{2}\left(\frac{k}{m}\right)^{3}+1\right\} \\ &=\int_{0}^{1}4x^{2}\ln\left(\frac{x^{3}}{2}+1\right)dx \end{aligned}이다.

+5점 · [5-2] 극한값을 올바르게 계산한다.

014x2ln(x32+1)dx=4ln3243\displaystyle \int_{0}^{1}4x^{2}\ln\left(\frac{x^{3}}{2}+1\right)dx=4\ln\frac{3}{2}-\frac{4}{3}이므로 lnα=4ln3243\displaystyle \ln\alpha=4\ln\frac{3}{2}-\frac{4}{3}이고, α=e4ln3243=8116e43\displaystyle \alpha=e^{4\ln\frac{3}{2}-\frac{4}{3}}=\frac{81}{16}e^{-\frac{4}{3}}

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

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