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

탄젠트 거듭제곱 적분

문제

an=0π4tannxdx(n=1,2,3,)\displaystyle a _{n} = \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan ^{n} x dx ( n = 1 , 2 , 3 , \cdots )으로 정의할 때, 옳은 내용을 <보기>에서 모두 고른 것은? [4점]

< 보 기 >
ㄱ. a1+a3=12\displaystyle a _{1} + a _{3} = \frac{1}{2} ㄴ. a1+a2+a3+a4=12+13\displaystyle a _{1} + a _{2} + a _{3} + a _{4} = \frac{1}{2} + \frac{1}{3} ㄷ. k=1100ak=12+13+14++151\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{100} a _{k} = \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{51}

ㄱ, ㄴㄴ, ㄷㄱ, ㄴ, ㄷ

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해설

ㄱ. a1+a3=0π4tanxdx+0π4tan3xdx\displaystyle a _{1} + a _{3} = \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan x dx + \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan ^{3} x dx =0π4tanx(1+tan2x)dx\displaystyle = \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan x ( 1 + \tan ^{2} x ) dx=0π4tanxsec2xdx\displaystyle = \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan x \sec ^{2} x dx tanx=t\tan x = t일 때, sec2x=dtdx\displaystyle \sec ^{2} x = \frac{dt}{dx}이므로 0π4tanxsec2xdx=01tdt\displaystyle \int _{0} ^{\frac{\pi}{4}} {} \tan x \sec ^{2} x dx = \int _{0} ^{1} {} t dt =[12t2]01=12\displaystyle = \left[ \frac{1}{2} t ^{2} \right] _{0} ^{1} = \frac{1}{2} (참) ㄴ. 마찬가지로 생각하면 a2+a4a _{2} + a _{4}=01t2dt\displaystyle = \int _{0} ^{1} {} t ^{2} dt=[13t3]01=13\displaystyle = \left[ \frac{1}{3} t ^{3} \right] _{0} ^{1} = \frac{1}{3}a1+a2+a3+a4=12+13\displaystyle a _{1} + a _{2} + a _{3} + a _{4} = \frac{1}{2} + \frac{1}{3}(참) ㄷ. 일반적으로 a4k+1+a4k+2+a4k+3+a4k+4a _{4 k + 1} + a _{4 k + 2} + a _{4 k + 3} + a _{4 k + 4} =(a4k+1+a4k+3)+(a4k+2+a4k+4)= ( a _{4 k + 1} + a _{4 k + 3} ) + ( a _{4 k + 2} + a _{4 k + 4} ) =01t4k+1dt\displaystyle = \int _{0} ^{1} {} t ^{4 k + 1} dt+01t4k+2dt\displaystyle + \int _{0} ^{1} {} t ^{4 k + 2} dt=14k+2+14k+3\displaystyle = \frac{1}{4 k + 2} + \frac{1}{4 k + 3}k=1100ak=\displaystyle \sum\limits _{k = 1} ^{100} a _{k} =k=024(a4k+1+a4k+2+a4k+3+a4k+4)\displaystyle \sum\limits _{k = 0} ^{24} ( a _{4 k + 1} + a _{4 k + 2} + a _{4 k + 3} + a _{4 k + 4} ) =k=024(14k+2+14k+3)\displaystyle = \sum\limits _{k = 0} ^{24} \left( \frac{1}{4 k + 2} + \frac{1}{4 k + 3} \right) =12+13+16+17++198+199\displaystyle = \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{6} + \frac{1}{7} + \cdots + \frac{1}{98} + \frac{1}{99} (거짓)

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