미적분Ⅱ수열의 극한수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

교점 x좌표와 극한

문제

함수 y=2πx\displaystyle y = \frac{2 \pi}{x}의 그래프와 함수 y=cosxy = \cos x의 그래프가 만나는 점의 xx좌표 중 양수인 것을 작은 수부터 크기순으로 모두 나열할 때, mm번째 수를 ama _{m}이라 하자. limnk=1n{n×cos2(an+k)}\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ n \times \cos ^{2} \left( a _{n + k} \right) \right\}의 값은? [4점] 32\displaystyle \frac{3}{2}2\mathrm{2}52\displaystyle \frac{5}{2}3\mathrm{3}72\displaystyle \frac{7}{2}

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해설

ama _{m}은 두 곡선 y=2πx\displaystyle y = \frac{2 \pi}{x}y=cosxy = \cos x의 교점의 xx좌표이므로 2πam=cos(am)\displaystyle \frac{2 \pi}{a _{m}} = \cos \left( a _{m} \right) n×cos2(an+k)=n×4π2(an+k)2\displaystyle n \times \cos ^{2} \left( a _{n + k} \right) = n \times \frac{4 \pi ^{2}}{\left( a _{n + k} \right) ^{2}} a1=2πa _{1} = 2 \pi, m>1m > 1에서 mπ<am<(m+1)πm \pi < a _{m} < \left( m + 1 \right) \pi이므로 4n(n+k+1)2<n×cos2(an+k)<4n(n+k)2\displaystyle \frac{4 n}{\left( n + k + 1 \right) ^{2}} < n \times \cos ^{2} \left( a _{n + k} \right) < \frac{4 n}{\left( n + k \right) ^{2}}이다. limnk=1n4n(n+k)2\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \frac{4 n}{\left( n + k \right) ^{2}}=limnk=1n4(1+kn)2×1n\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \frac{4}{\left( 1 + \frac{k}{n} \right) ^{2}} \times \frac{1}{n} =014(1+x)2dx=[41+x]01=2\displaystyle = \int _{0} ^{1} {} \frac{4}{\left( 1 + x \right) ^{2}} dx = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} - \frac{4}{1 + x} \end{array} \right] _{0} ^{1} = 2 이고 limnk=1n{4n(n+k+1)24n(n+k)2}\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ \frac{4 n}{\left( n + k + 1 \right) ^{2}} - \frac{4 n}{\left( n + k \right) ^{2}} \right\} =limn{4n(2n+1)24n(n+1)2}=0\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \left\{ \frac{4 n}{\left( 2 n + 1 \right) ^{2}} - \frac{4 n}{\left( n + 1 \right) ^{2}} \right\} = 0이므로 limnk=1n4n(n+k+1)2=2\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \frac{4 n}{\left( n + k + 1 \right) ^{2}} = 2 수열의 극한의 대소 관계의 성질에 의하여 limnk=1n{n×cos2(an+k)}=2\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \sum\limits _{k = 1} ^{n} \left\{ n \times \cos ^{2} \left( a _{n + k} \right) \right\} = 2

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