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

꺾은선 함수 정적분

문제

첫째항이 11이고 공차가 22인 등차수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}이 있다. 자연수 nn에 대하여 좌표평면 위의 점 Pn\mathrm{P} _{\mathit{n}}을 다음 규칙에 따라 정한다. (가) 점 P1\mathrm{P} _{\mathit{1}}의 좌표는 (1,1)\left( 1 , 1 \right)이다. (나) 점 Pn\mathrm{P} _{\mathit{n}}xx좌표는 ana _{n}이다. (다) 직선 PnPn+1\mathrm{P} _{\mathit{n}} P _{\mathit{n} + 1}의 기울기는 12an+1\displaystyle \frac{1}{2} a _{n + 1}이다.

x1x \geq 1에서 정의된 함수 y=f(x)y = f \left( x \right)의 그래프가 모든 자연수 nn에 대하여 닫힌구간 [an,an+1]\left[ a _{n} , a _{n + 1} \right]에서 선분 PnPn+1\mathrm{P} _{\mathit{n}} \mathrm{P} _{\mathit{n} + 1}과 일치할 때, 111f(x)dx\displaystyle \int _{1} ^{11} {f \left( x \right) dx}의 값은? [4점] 140140145145150150155155160160

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해설

Pn{\mathrm{P}} _{n}의 좌표를 (an,bn)( a _{n} , b _{n} )이라 하자. an=1+(n1)×2=2n1a _{n} = 1 + ( n - 1 ) \times 2 = 2 n - 1 이고 선분 PnPn+1{\mathrm{P}} _{n} {\mathrm{P}} _{n+1}과 직선 x=anx = a _{n}, 직선 x=an+1x = a _{n+1}xx축과 둘러싸인 도형의 넓이 SnS _{n}Sn=anan+1f(x)dx\displaystyle S _{n} = \int _{a _{n}} ^{a _{n+1}} {f ( x )} dx=12×(an+1an)×(bn+bn+1)\displaystyle = \frac{1}{2} \times ( a _{n+1} - a _{n} ) \times ( b _{n} + b _{n+1} ) =bn+bn+1= b _{n} + b _{n+1} a1=1a _{1} = 1, a6=11a _{6} = 11이므로 111f(x)dx=a1a6f(x)dx\displaystyle \int _{1} ^{11} {f ( x )} dx = \int _{a _{1}} ^{a _{6}} {f ( x )} dx =S1+S2+S3+S4+S5= S _{1} + S _{2} + S _{3} + S _{4} + S _{5} =(b1+b2)+(b2+b3)+(b3+b4)= ( b _{1} + b _{2} ) + ( b _{2} + b _{3} ) + ( b _{3} + b _{4} )+(b4+b5)+(b5+b6)+ ( b _{4} + b _{5} ) + ( b _{5} + b _{6} ) 조건 (다)에 의하여 직선 PnPn+1{\mathrm{P}} _{n{\mathrm{P}}_{n+1}}의 기울기는 bn+1bnan+1an=12an+1\displaystyle \frac{b _{n+1} - b _{n}}{a _{n+1} - a _{n}} = \frac{1}{2} a _{n+1}, bn+1=bn+an+1b _{n+1} = b _{n} + a _{n+1} b1=1=a1b _{1} = 1 = a _{1} b2=b1+a2=a1+a2=4b _{2} = b _{1} + a _{2} = a _{1} + a _{2} = 4 b3=b2+a3=a1+a2+a3=9b _{3} = b _{2} + a _{3} = a _{1} + a _{2} + a _{3} = 9 b4=b3+a4=a1+a2+a3+a4=16b _{4} = b _{3} + a _{4} = a _{1} + a _{2} + a _{3} + a _{4} = 16 b5=b4+a5=a1+a2+a3+a4+a5=25b _{5} = b _{4} + a _{5} = a _{1} + a _{2} + a _{3} + a _{4} + a _{5} = 25 b6=b5+a6=a1+a2+a3+a4+a5+a6=36b _{6} = b _{5} + a _{6} = a _{1} + a _{2} + a _{3} + a _{4} + a _{5} + a _{6} = 36 따라서 111f(x)dx=S1+S2+S3+S4+S5\displaystyle \int _{1} ^{11} {f ( x )} dx = S _{1} + S _{2} + S _{3} + S _{4} + S _{5} =(1+4)+(4+9)+(9+16)= ( 1 + 4 ) + ( 4 + 9 ) + ( 9 + 16 )+(16+25)+(25+36)+ ( 16 + 25 ) + ( 25 + 36 ) =145= 145

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