미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

곡선과 직선 사이 넓이의 급수합

문제

자연수 nn에 대하여 곡선 y=xny = x ^{n}과 직선 y=1,y = 1 , yy축으로 둘러싸인 넓이가 SnS _{n}일 때 n=1Snn2\displaystyle \sum\limits _{n=1} ^{\infty} \frac{S _{n}}{n ^{2}}의 값은? 13\displaystyle \frac{1}{3}12\displaystyle \frac{1}{2}1132\displaystyle \frac{3}{2}22

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해설

곡선 y=xny = x ^{n} 과 직선 y=1,y = 1 , yy축으로 둘러싸인 넓이 SnS _{n}Sn=101xndx=1[1n+1xn+1]01=nn+1\displaystyle S _{n} = 1 - \int _{0} ^{1} {x ^{n} dx} = 1 - \left[ \frac{1}{n + 1} x ^{n+1} \right] _{0} ^{1} = \frac{n}{n + 1} 따라서, n=1Snn2=n=1nn+1n2=n=11n(n+1)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} {\frac{S _{n}}{n ^{2}}} = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \frac{\frac{n}{n + 1}}{n ^{2}} = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \frac{1}{n ( n + 1 )} =limnk=1n1k(k+1)\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n} {\frac{1}{k ( k + 1 )}}} =limn{(112)+(1213)++(1n1n+1)}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left\{ ( 1 - \frac{1}{2} ) + ( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} ) + \cdots + ( \frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1} ) \right\}} =limn(11n+1)\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( 1 - \frac{1}{n + 1} \right)} =1= 1

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