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자연계열 2번

문제

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2-1.

풀이. 임의의 x0\displaystyle x\ge0에 대하여 x+1C(x2+1)\displaystyle x+1\le C(x^2+1)이 성립하기 위한 필요충분조건은 x0\displaystyle x\ge0에서의 이차 함수 F(x)=Cx2x+C1\displaystyle F(x)=Cx^2-x+C-1의 최소값 F(12C)=14C+C1\displaystyle F\left(\frac1{2C}\right)=-\frac1{4C}+C-1이 0 이상인 것이다. 즉, 14C+C10\displaystyle -\frac1{4C}+C-1\ge0. 이 부등식을 풀면 C2+224\displaystyle C\ge\frac{2+2\sqrt2}4. 따라서, 주어진 부등식을 만족하는 가장 작은 양의 실수 C\displaystyle C2+224\displaystyle \frac{2+2\sqrt2}4이다.

2-2.

풀이. 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 부등식 nn+12n\displaystyle n\le n+1\le2n이 성립하므로, n2f1(n)n\displaystyle \frac n2\le f_1(n)\le n이 성립한다. 따라서 자연수 n\displaystyle n에 대한 다음 두 부등식을 얻는다:f2(n)=k=1n(f1(k+1)+f1(k2))k=1n(k+1+k2)k=1n3k2=3n(n+1)(2n+1)63n3\displaystyle f_2(n)=\sum_{k=1}^n\left(f_1(k+1)+f_1(k^2)\right)\le\sum_{k=1}^n(k+1+k^2)\le\sum_{k=1}^n3k^2=3\frac{n(n+1)(2n+1)}6\le3n^3f2(n)=k=1n(f1(k+1)+f1(k2))k=1n(k+12+k22)k=1nk22=n(n+1)(2n+1)26n36\displaystyle f_2(n)=\sum_{k=1}^n\left(f_1(k+1)+f_1(k^2)\right)\ge\sum_{k=1}^n\left(\frac{k+1}2+\frac{k^2}2\right)\ge\sum_{k=1}^n\frac{k^2}2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{2\cdot6}\ge\frac{n^3}6

일반적으로 α3\displaystyle \alpha\ge3인 경우 n3=O(nα)\displaystyle n^3=O(n^\alpha)이 성립하므로, f2(n)=O(nα)\displaystyle f_2(n)=O(n^\alpha)임을 알 수 있다. 한편, α<3\displaystyle \alpha<3인 경우, n3α\displaystyle n^{3-\alpha}는 한없이 커지므로 f2(n)=O(nα)\displaystyle f_2(n)=O(n^\alpha)가 성립할 수 없다.

따라서, f2(n)=O(nα)\displaystyle f_2(n)=O(n^\alpha)를 만족하는 가장 작은 실수 α\displaystyle \alpha는 3이다.

2-3.

풀이. ND(6.5)\displaystyle N_D(6.5)를 구하기 위해서는 주어진 정수 6x6\displaystyle -6\le x\le6을 만족하는 각각의 정수 x\displaystyle x에 대하여 x2+y26.52\displaystyle x^2+y^2\le6.5^2을 만족하는 정수 y\displaystyle y의 개수를 구하여 모두 더하면 된다. 대칭성을 이용하여 이 값을 구하면ND(6.5)=62+1+2((62+1)+(62+1)+(52+1)+(52+1)+(42+1)+(22+1))=137\displaystyle \begin{aligned}N_D(6.5)&=6\cdot2+1+2((6\cdot2+1)+(6\cdot2+1)+(5\cdot2+1)+(5\cdot2+1)+(4\cdot2+1)+(2\cdot2+1))\\&=137\end{aligned}

비슷한 방법으로 NS(6.5)\displaystyle N_S(6.5)를 구하면NS(6.5)=13+12+4(11+9+7+5+3+1)=85.\displaystyle N_S(6.5)=13+12+4(11+9+7+5+3+1)=85.Correction. 대학 답안의 13+12+4(11+9+7+5+3+1)\displaystyle 13+12+4(11+9+7+5+3+1)은 계산하면 169이다. 대칭성을 이용한 올바른 식은 13+2(11+9+7+5+3+1)=85\displaystyle 13+2(11+9+7+5+3+1)=85이며, 원문에 적힌 최종 답 85는 맞다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

2-4.

풀이. 제시문 다에 의하면 아래 부등식이 성립한다.ED(r)N2(r)+N3(r).\displaystyle |E_D(r)|\le N_2(r)+N_3(r).

한편, N2(r)+N3(r)\displaystyle N_2(r)+N_3(r)는 반지름이 r+2\displaystyle r+\sqrt2인 원과 반지름이 r2\displaystyle r-\sqrt2인 원으로 둘러 싸인 영역의 넓이를 넘지 않으므로ED(r)π(r+2)2π(r2)2=22πr\displaystyle |E_D(r)|\le\pi(r+\sqrt2)^2-\pi(r-\sqrt2)^2=2\sqrt2\pi rCorrection. 두 원의 넓이 차는 π(r+2)2π(r2)2=42πr\displaystyle \pi(r+\sqrt2)^2-\pi(r-\sqrt2)^2=4\sqrt2\pi r이므로 원문의 계수 2는 4로 고쳐야 한다. 상수 계수의 차이이므로 ED(r)=O(r)\displaystyle E_D(r)=O(r)이라는 결론에는 영향이 없다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

따라서, 다음 식이 성립한다:ED(r)=O(r),r2\displaystyle E_D(r)=O(r),\qquad r\ge2

2-5. ①

풀이. 자연수 m\displaystyle m에 대하여NS(m)=2m+1+2k=1m(2(mk)+1)=2m2+2m+1\displaystyle N_S(m)=2m+1+2\sum_{k=1}^m(2(m-k)+1)=2m^2+2m+1가 성립한다.

풀이. 격자점은 정수들로 구성되므로 아래 등식이 성립한다:NS(r)=NS(m).\displaystyle N_S(r)=N_S(m).

이 등식과 ①의 결과를 활용하면ES(r)=NS(r)AS(r)=2m2+2m+12r2=2(rt)2+2(rt)+12r2\displaystyle E_S(r)=N_S(r)-A_S(r)=2m^2+2m+1-2r^2=2(r-t)^2+2(r-t)+1-2r^2

즉,ES(r)=2r(2t+1)+2t22t+1.\displaystyle E_S(r)=2r(-2t+1)+2t^2-2t+1.

풀이. ②에서와 같이 r=m+t\displaystyle r=m+t (m\displaystyle m은 자연수, 0t<1\displaystyle 0\le t<1)로 놓으면, 다음 부등식을 얻는다:ES(r)2r+13r\displaystyle |E_S(r)|\le2r+1\le3r

즉, ES(r)=O(r)\displaystyle E_S(r)=O(r)이 성립한다. 따라서, 임의의 β1\displaystyle \beta\ge1에 대하여 ES(r)=O(rβ)\displaystyle E_S(r)=O(r^\beta)이 성립한다. 한편 자연수 m\displaystyle m에 대하여 NS(m)=2m2+2m+1\displaystyle N_S(m)=2m^2+2m+1, AS(m)=2m2\displaystyle A_S(m)=2m^2, ES(m)2m\displaystyle |E_S(m)|\ge2m이므로 β<1\displaystyle \beta<1에 대하여 ES(r)=O(rβ)\displaystyle E_S(r)=O(r^\beta)가 성립할 수는 없다.

따라서, ES(r)=O(rβ)\displaystyle E_S(r)=O(r^\beta), r2\displaystyle r\ge2를 만족하는 가장 작은 실수 β\displaystyle \beta는 1이다.

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