미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

삼각함수 수열 극한

문제

수열{an},{bn}\left\{ a _{n} \right\} , \left\{ b _{n} \right\}33 이상인 모든 자연수 nn에 대하여 sinπn=an2+an=bn2bn\displaystyle \sin \frac{\pi}{n} = \frac{a _{n}}{2 + a _{n}} = \frac{b _{n}}{2 - b _{n}}을 만족시킬 때, 1π3limnn3(an+bn)(anbn)\displaystyle \frac{1}{\pi ^{3}} \lim\limits _{n\rightarrow \infty} n ^{3} \left( a _{n} + b _{n} \right) \left( a _{n} - b _{n} \right)의 값을 구하여라. [4점]

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해설

sinπn=an2+an\displaystyle \sin \frac{\pi}{n} = \frac{a _{n}}{2 + a _{n}}에서 an=2sinπn1sinπn\displaystyle a _{n} = \frac{2 \sin \frac{\pi}{n}}{1 - \sin \frac{\pi}{n}}=2sinπn(1+sinπn)cos2πn\displaystyle = \frac{2 \sin \frac{\pi}{n} \left( 1 + \sin \frac{\pi}{n} \right)}{\cos ^{2} \frac{\pi}{n}}이고 sinπn=bn2bn\displaystyle \sin \frac{\pi}{n} = \frac{b _{n}}{2 - b _{n}}에서 bn=2sinπn1+sinπn\displaystyle b _{n} = \frac{2 \sin \frac{\pi}{n}}{1 + \sin \frac{\pi}{n}}=2sinπn(1sinπn)cos2πn\displaystyle = \frac{2 \sin \frac{\pi}{n} \left( 1 - \sin \frac{\pi}{n} \right)}{\cos ^{2} \frac{\pi}{n}}이므로 an+bn=4sinπncos2πn\displaystyle a _{n} + b _{n} = \frac{4 \sin \frac{\pi}{n}}{\cos ^{2} \frac{\pi}{n}}, anbna _{n} - b _{n}=4sin2πncos2πn\displaystyle = \frac{4 \sin ^{2} \frac{\pi}{n}}{\cos ^{2} \frac{\pi}{n}} nn \rightarrow \infty일 때, πn+0\displaystyle \frac{\pi}{n} \rightarrow + 0이므로 πn=θ\displaystyle \frac{\pi}{n} = \theta라 하면 1π3limnn3(an+bn)(anbn)\displaystyle \frac{1}{\pi ^{3}} \lim\limits _{n\rightarrow \infty} n ^{3} ( a _{n} + b _{n} ) ( a _{n} - b _{n} ) =limθ01θ34sinθcos2θ4sin3θcos2θ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0} \frac{1}{\theta ^{3}} \cdot \frac{4 \sin \theta}{\cos ^{2} \theta} \cdot \frac{4 \sin ^{3} \theta}{\cos ^{2} \theta} =limθ016(sinθθ)31cos4θ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0} 16 \cdot \left( \frac{\sin \theta}{\theta} \right) ^{3} \cdot \frac{1}{\cos ^{4} \theta} =16= 16

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