미적분Ⅱ정적분의 활용수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

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문제

함수 f(x)=x2f ( x ) = x ^{2}에 대하여 그림과 같이 구간 [0,1]\left[ 0 , 1 \right]2n2 n 등분한 후, 구간 [k12n,k2n]\displaystyle \left[ \frac{k - 1}{2 n} , \frac{k}{2 n} \right]를 밑변으로 하고 높이가 f(k2n)\displaystyle f \left( \frac{k}{2 n} \right)인 직사각형의 넓이를 SkS _{k}라 하자. (단, nn은 자연수이고 k=1,2,3,,2nk = 1 , 2 , 3 , \cdots , 2 n이다.)

<보기>에서 옳은 것을 모두 고른 것은? [4점]

<보 기>
ㄱ. limnk=1nSk=012x2dx\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} S _{k} = \int _{0} ^{\frac{1}{2}} x ^{2} dx ㄴ. limnk=1n(S2kS2k1)=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} ( S _{2k} - S _{2k-1} ) = 0 ㄷ. limnk=1nS2k=1201x2dx\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} S _{2k} = \frac{1}{2} \int _{0} ^{1} {} x ^{2} dx

ㄱ, ㄴㄱ, ㄷㄴ, ㄷㄱ, ㄴ, ㄷ

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해설

ㄱ. limnk=1nSk\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} S _{k} =limnk=1n{12n×f(k2n)}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \frac{1}{2 n} \times f \left( \frac{k}{2 n} \right) \right\} =limnk=1n{12n×(k2n)2}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \frac{1}{2 n} \times \left( \frac{k}{2 n} \right) ^{2} \right\} =limnk=1n{121n×(12kn)2}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \frac{1}{2} \bullet \frac{1}{n} \times \left( \frac{1}{2} \bullet \frac{k}{n} \right) ^{2} \right\} =012x2dx\displaystyle = \int _{0} ^{\frac{1}{2}} {x ^{2} dx} (참) ㄴ. k=1n(S2kS2k1)=k=1n{12nf(2k2n)12nf(2k12n)}\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( S _{2 k} - S _{2 k - 1} \right) = \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ \frac{1}{2 n} f \left( \frac{2 k}{2 n} \right) - \frac{1}{2 n} f \left( \frac{2 k - 1}{2 n} \right) \right\} =12nk=1n{(2k2n)2(2k12n)2}\displaystyle = \frac{1}{2 n} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ \left( \frac{2 k}{2 n} \right) ^{2} - \left( \frac{2 k - 1}{2 n} \right) ^{2} \right\} =18n3k=1n(4k1)\displaystyle = \frac{1}{8 n ^{3}} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( 4 k - 1 \right) =2n2+n8n3\displaystyle = \frac{2 n ^{2} + n}{8 n ^{3}} limnk=1n(S2kS2k1)\displaystyle \therefore \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left( S _{2 k} - S _{2 k - 1} \right)=limn2n2+n8n3=0\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \frac{2 n ^{2} + n}{8 n ^{3}} = 0 (참) ㄷ. limnk=1nS2k\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} S _{2 k} =limnk=1n{12n×f(2k2n)}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \frac{1}{2 n} \times f \left( \frac{2 k}{2 n} \right) \right\}=limnk=1n{12n×(kn)2}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \frac{1}{2 n} \times \left( \frac{k}{n} \right) ^{2} \right\} =12limnk=1n{(kn)21n}\displaystyle = \frac{1}{2} \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\sum\limits _{k = 1} ^{n}} \left\{ \left( \frac{k}{n} \right) ^{2} \frac{1}{n} \right\} =12012x2dx\displaystyle = \frac{1}{2} \int _{0} ^{\frac{1}{2}} {x ^{2} dx} (참) 따라서 보기 중 옳은 것은 ㄱ, ㄴ, ㄷ이다.

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