미적분Ⅰ부정적분과 정적분수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

구간별 함수 적분 극한

문제

이차함수 f(x)=3xx22\displaystyle f \left( x \right) = \frac{3 x - x ^{2}}{2}에 대하여 구간 [0,)[ 0 , \infty )에서 정의된 함수 g(x)g \left( x \right)가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 0x<10 \leq x < 1일 때, g(x)=f(x)g \left( x \right) = f \left( x \right)이다. (나) nx<n+1n \leq x < n + 1일 때, g(x)=12n{f(xn)(xn)}+x\displaystyle g \left( x \right) = \frac{1}{2 ^{n}} \left\{ f \left( x - n \right) - \left( x - n \right) \right\} + x 이다. (단, nn은 자연수이다.)

어떤 자연수 k(k6)k \left( k \geq 6 \right)에 대하여 함수 h(x)h \left( x \right)h(x)={g(x)(0x<5또는xk)2xg(x)(5x<k)\displaystyle h \left( x \right) = {\begin{cases} \begin{aligned} g \left( x \right) \\ \end{aligned} & \begin{aligned} \left( 0 \leq x < 5 \text{또는} x \geq k \right) \\ \end{aligned} \\ 2 x - g \left( x \right) & \left( 5 \leq x < k \right) \end{cases}} 이다. 수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}an=0nh(x)dx\displaystyle a _{n} = \int _{0} ^{n} {h \left( x \right) dx}라 할 때, limn(2ann2)=241768\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( 2 a _{n} - n ^{2} \right)} = \frac{241}{768}이다. kk의 값을 구하시오. [4점]

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9

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해설

[출제의도] 주어진 조건을 만족시키는 함수에 대하여 수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}을 정하고 극한값을 이용하여 미지수의 값을 구할 수 있는가? 직선 y=xy = xxx축 및 직선 x=nx = n으로 둘러싸인 삼각형의 넓이가 n22\displaystyle \frac{n ^{2}}{2}이다. 2limn(ann22)=241768\displaystyle 2 \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( a _{n} - \frac{n ^{2}}{2} \right)} = \frac{241}{768}이므로 F(x)F \left( x \right)=h(x)x= h \left( x \right) - x={g(x)x(0x<5,xk)xg(x)(5x<k)\displaystyle = {\begin{cases} g \left( x \right) - x & \left( 0 \leq x < 5 , x \geq k \right) \\ x - g \left( x \right) & \left( 5 \leq x < k \right) \end{cases}} 로 놓으면 2limn0nF(x)dx=241768\displaystyle 2 \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \int _{0} ^{n} {F \left( x \right) dx} = \frac{241}{768}이다. nx<n+1n \leq x < n + 1일 때 g(x)xg \left( x \right) - x=12n{f(xn)(xn)}\displaystyle = \frac{1}{2 ^{n}} \left\{ f \left( x - n \right) - \left( x - n \right) \right\} =12n{32(xn)12(xn)2(xn)}\displaystyle = \frac{1}{2 ^{n}} \left\{ \frac{3}{2} \left( x - n \right) - \frac{1}{2} \left( x - n \right) ^{2} - \left( x - n \right) \right\} =12n{12(xn)12(xn)2}\displaystyle = \frac{1}{2 ^{n}} \left\{ \frac{1}{2} \left( x - n \right) - \frac{1}{2} \left( x - n \right) ^{2} \right\} =12n+1(xn)(1+nx)\displaystyle = \frac{1}{2 ^{n + 1}} \left( x - n \right) \left( 1 + n - x \right) =12n+1(xn)(x(n+1))\displaystyle = - \frac{1}{2 ^{n + 1}} \left( x - n \right) \left( x - \left( n + 1 \right) \right) 이므로 nn+1{g(x)x}dx\displaystyle \int _{n} ^{n + 1} {\left\{ g \left( x \right) - x \right\} dx} =nn+1{12n+1(xn)(x(n+1))}dx\displaystyle = \int _{n} ^{n + 1} {\left\{ - \frac{1}{2 ^{n + 1}} \left( x - n \right) \left( x - \left( n + 1 \right) \right) \right\} dx} =01{12n+1x(x1)}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\left\{ - \frac{1}{2 ^{n + 1}} x \left( x - 1 \right) \right\} dx} =12n+101x(x1)dx\displaystyle = - \frac{1}{2 ^{n + 1}} \int _{0} ^{1} {x \left( x - 1 \right) dx} =12n+1×16\displaystyle = \frac{1}{2 ^{n + 1}} \times \frac{1}{6} \cdots \cdots ㉠ 한편, 0nF(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{n} {F \left( x \right) dx} =01(xg(x))dx++45(xg(x))dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} + \cdots + \int _{4} ^{5} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} +56(xg(x))dx++k1k(xg(x))dx\displaystyle + \int _{5} ^{6} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} + \cdots + \int _{k - 1} ^{k} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} +kk+1(xg(x))dx++n1n(xg(x))dx\displaystyle + \int _{k} ^{k + 1} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} + \cdots + \int _{n - 1} ^{n} {\left( x - g \left( x \right) \right) dx} 이때, ㉠은 n=0n = 0일 때도 성립하므로 ㉠에서 20nF(x)dx\displaystyle 2 \int _{0} ^{n} {F \left( x \right) dx} =13×{12+(12)2++(12)5}\displaystyle = \frac{1}{3} \times \left\{ \frac{1}{2} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} + \cdots + \left( \frac{1}{2} \right) ^{5} \right\}13×{(12)6++(12)k}\displaystyle - \frac{1}{3} \times \left\{ \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots + \left( \frac{1}{2} \right) ^{k} \right\} +13×{(12)k+1++(12)n}\displaystyle + \frac{1}{3} \times \left\{ \left( \frac{1}{2} \right) ^{k + 1} + \cdots + \left( \frac{1}{2} \right) ^{n} \right\} =13×{12+(12)2++(12)n}\displaystyle = \frac{1}{3} \times \left\{ \frac{1}{2} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} + \cdots + \left( \frac{1}{2} \right) ^{n} \right\}23×{(12)6++(12)k}\displaystyle - \frac{2}{3} \times \left\{ \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots + \left( \frac{1}{2} \right) ^{k} \right\} =13×12×{1(12)n}112\displaystyle = \frac{1}{3} \times \frac{\frac{1}{2} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{n} \right\}}{1 - \frac{1}{2}}23×(12)6×{1(12)k5}112\displaystyle - \frac{2}{3} \times \frac{\left( \frac{1}{2} \right) ^{6} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} \right\}}{1 - \frac{1}{2}} =13×{1(12)n}23×(12)5×{1(12)k5}\displaystyle = \frac{1}{3} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{n} \right\} - \frac{2}{3} \times \left( \frac{1}{2} \right) ^{5} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} \right\} =13×{1(12)n}148×{1(12)k5}\displaystyle = \frac{1}{3} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{n} \right\} - \frac{1}{48} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} \right\} 따라서 limn(12)n=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( \frac{1}{2} \right) ^{n}} = 0이므로 2limn0nF(x)dx\displaystyle 2 \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \int _{0} ^{n} {F \left( x \right) dx}=13148×{1(12)k5}\displaystyle = \frac{1}{3} - \frac{1}{48} \times \left\{ 1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} \right\} =1548+148×(12)k5\displaystyle = \frac{15}{48} + \frac{1}{48} \times \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} 즉, 1548+148×(12)k5=241768\displaystyle \frac{15}{48} + \frac{1}{48} \times \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} = \frac{241}{768}에서 (12)k5=116\displaystyle \left( \frac{1}{2} \right) ^{k - 5} = \frac{1}{16}이므로 k5=4k - 5 = 4에서 k=9k = 9

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