미적분Ⅰ부정적분과 정적분수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

절댓값 함수의 거듭제곱의 정적분의 합

문제

함수 f(x)={1x(x1)0(x>1)\displaystyle f ( x ) = \begin{cases} 1 - | x | & ( | x | \leq 1 ) \\ 0 & ( | x | > 1 ) \end{cases} 에 대하여 n=110nn{f(x)}nndx\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{10} \int _{- n} ^{n} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx의 값은? [4점] 1211\displaystyle \frac{12}{11}1411\displaystyle \frac{14}{11}1611\displaystyle \frac{16}{11}1811\displaystyle \frac{18}{11}2011\displaystyle \frac{20}{11}

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해설

f(x)={1x(x1)0(x>1)\displaystyle f ( x ) = \begin{cases} 1 - | x | & ( | x | \leq 1 ) \\ 0 & ( | x | > 1 ) \end{cases}이므로 f(x)=f(x)f ( x ) = f ( - x )가 성립한다. ∴ nn{f(x)}nndx\displaystyle \int _{-n} ^{n} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx=2n0{f(x)}nndx\displaystyle = 2 \int _{-n} ^{0} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx =210{f(x)}nndx\displaystyle = 2 \int _{-1} ^{0} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx =210(x+1)nndx\displaystyle = 2 \int _{-1} ^{0} \frac{( x + 1 ) ^{n}}{n} dx =201xnndx\displaystyle = 2 \int _{0} ^{1} \frac{x ^{n}}{n} dx =2[xn+1n(n+1)]01\displaystyle = 2 \left[ \frac{x ^{n+1}}{n ( n + 1 )} \right] _{0} ^{1} =2n(n+1)\displaystyle = \frac{2}{n ( n + 1 )} =2(1n1n+1)\displaystyle = 2 \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1} \right)n=110nn{f(x)}nndx\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{10} \int _{- n} ^{n} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx =n=1102(1n1n+1)\displaystyle = \sum\limits _{n=1} ^{10} 2 \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1} \right) =2{(112)+(1213)++(110111)}\displaystyle = 2 \left\{ \left( 1 - \frac{1}{2} \right) + \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) + \cdots + \left( \frac{1}{10} - \frac{1}{11} \right) \right\} =2011\displaystyle = \frac{20}{11} [다른 풀이] y=xny = x ^{n}y=(1x)ny = ( 1 - x ) ^{n}은 직선 x=12\displaystyle x = \frac{1}{2}에 대하여 대칭이므로 01xndx=01(1x)ndx\displaystyle \int _{0} ^{1} x ^{n} dx = \int _{0} ^{1} ( 1 - x ) ^{n} dx가 성립한다. 따라서 앞의 풀이에서 nn{f(x)}nndx\displaystyle \int _{-n} ^{n} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx=20n{f(x)}nndx\displaystyle = 2 \int _{0} ^{n} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx =201{f(x)}nndx\displaystyle = 2 \int _{0} ^{1} \frac{\left\{ f ( x ) \right\} ^{n}}{n} dx =201(1x)nndx\displaystyle = 2 \int _{0} ^{1} \frac{( 1 - x ) ^{n}}{n} dx =201xnndx\displaystyle = 2 \int _{0} ^{1} \frac{x ^{n}}{n} dx ⋮ 로 식을 변형하여 문제를 해결할 수 있다.

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