수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 1번

문제

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해설강의 준비중
+1점 · n=1\displaystyle n=1일 때, a1=2\displaystyle a_1=2이므로 32a12\displaystyle \frac32\le a_1\le2이 성립한다.

[문제 1-1] (20점)(1) a22a1\displaystyle a_2\le2a_1이고, n3\displaystyle n\ge3이면 an=an1+an22an1\displaystyle a_n=a_{n-1}+a_{n-2}\le2a_{n-1}이다. 그러므로an2an1,(n2)\displaystyle a_n\le2a_{n-1},\quad(n\ge2) ……㉠이 성립한다.n=1\displaystyle n=1일 때, a1=2\displaystyle a_1=2이므로 32a12\displaystyle \frac32\le a_1\le2이 성립한다.

+2점 · n=2\displaystyle n=2일 때, a2=3\displaystyle a_2=3이므로 (32)2a222\displaystyle \left(\frac32\right)^2\le a_2\le2^2이 성립한다.

n=2\displaystyle n=2일 때, a2=3\displaystyle a_2=3이므로 (32)2a222\displaystyle \left(\frac32\right)^2\le a_2\le2^2이 성립한다.

+3점 · ak+12ak2×2k=2k+1\displaystyle a_{k+1}\le2a_k\le2\times2^k=2^{k+1}

k2\displaystyle k\ge2이라 하자. 주어진 부등식이 n=k\displaystyle n=k일 때 성립한다고 가정하고 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 성립함을 증명한다. ㉠을 이용하면 다음이 성립함을 알 수 있다.ak+12ak2×2k=2k+1\displaystyle a_{k+1}\le2a_k\le2\times2^k=2^{k+1}

+4점 · ak+132ak32(32)k(32)k+1\displaystyle a_{k+1}\ge\frac32a_k\ge\frac32\left(\frac32\right)^k\ge\left(\frac32\right)^{k+1}이 성립한다.

한편 ㉠을 이용하면, 3ak=2ak+ak2ak+2ak1=2(ak+ak1)=2ak+1\displaystyle 3a_k=2a_k+a_k\le2a_k+2a_{k-1}=2(a_k+a_{k-1})=2a_{k+1}이다. 즉, ak+132ak\displaystyle a_{k+1}\ge\frac32a_k이다. 따라서ak+132ak32(32)k(32)k+1\displaystyle a_{k+1}\ge\frac32a_k\ge\frac32\left(\frac32\right)^k\ge\left(\frac32\right)^{k+1}이 성립한다.

+7점 · A\displaystyle Ax2x1=0\displaystyle x^2-x-1=0의 근이다.

(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an+1an\displaystyle a_{n+1}\ge a_n이므로 A1\displaystyle A\ge1이다. 관계식 an+2=an+1+an\displaystyle a_{n+2}=a_{n+1}+a_n의 양변을 an+1\displaystyle a_{n+1}로 나누면an+2an+1=1+anan+1\displaystyle \frac{a_{n+2}}{a_{n+1}}=1+\frac{a_n}{a_{n+1}}을 얻는다. limnan+2an+1=A\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_{n+2}}{a_{n+1}}=A이고 limnanan+1=1A\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{a_{n+1}}=\frac1A이므로 위의 식의 양변에서 n\displaystyle n을 무한대로 보내면 A=1+1A\displaystyle A=1+\frac1A이 된다. 즉 A2A1=0\displaystyle A^2-A-1=0. 그러므로 A\displaystyle Ax2x1=0\displaystyle x^2-x-1=0의 근이다.

+3점 · A1\displaystyle A\ge1이므로 A=1+52\displaystyle A=\frac{1+\sqrt5}2이다.

이 방정식의 두 근은 1±52\displaystyle \frac{1\pm\sqrt5}2인데, A1\displaystyle A\ge1이므로 A=1+52\displaystyle A=\frac{1+\sqrt5}2이다.

+3점 · 이 경우의 모스부호 개수는 bn+2\displaystyle b_{n+2}이다.

[문제 1-2] (30점)(1) 길이 (n+3)\displaystyle (n+3)이며 조건 (ㄴ)을 만족하는 모스부호의 첫 번째와 두 번째 신호에 따라 경우를 나누어 생각한다.(a) 첫 번째 신호가 S인 경우: 2번째부터 (n+3)\displaystyle (n+3)번째까지 신호로 이루어진 모스부호는 길이가 (n+2)\displaystyle (n+2)이며 조건 (ㄴ)을 만족하므로 이 경우의 모스부호 개수는 bn+2\displaystyle b_{n+2}이다.

+3점 · 이 경우의 모스부호 개수는 bn+1\displaystyle b_{n+1}이다.

(b) 첫 번째 신호는 L이고, 두 번째 신호는 S인 경우: 3번째부터 (n+3)\displaystyle (n+3)번째까지 신호로 이루어진 모스부호는 길이가 (n+1)\displaystyle (n+1)이며 조건 (ㄴ)을 만족하므로 이 경우의 모스부호 개수는 bn+1\displaystyle b_{n+1}이다.

+3점 · 이 경우의 모스부호 개수는 bn\displaystyle b_n이다.

(c) 첫 번째 신호와 두 번째 신호가 모두 L인 경우: 3번째 신호는 자동적으로 S이다. 그리고 4번째부터 (n+3)\displaystyle (n+3)번째까지 신호로 이루어진 모스부호는 길이가 n\displaystyle n이며 조건 (ㄴ)을 만족하므로 이 경우의 모스부호 개수는 bn\displaystyle b_n이다.

+6점 · bn+3=bn+2+bn+1+bn\displaystyle b_{n+3}=b_{n+2}+b_{n+1}+b_n을 얻는다.

세 가지 경우의 개수를 모두 합하여 관계식bn+3=bn+2+bn+1+bn\displaystyle b_{n+3}=b_{n+2}+b_{n+1}+b_n을 얻는다.

+5점 · f(x)=x3x2x1\displaystyle f(x)=x^3-x^2-x-1라 놓으면 B\displaystyle B는 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 근이다.

(2) 문제 (1)에서 얻은 관계식의 양변을 bn\displaystyle b_n으로 나누면 bn+3bn=bn+2bn+bn+1bn+1\displaystyle \frac{b_{n+3}}{b_n}=\frac{b_{n+2}}{b_n}+\frac{b_{n+1}}{b_n}+1이 된다. 그런데limnbn+3bn=limnbn+3bn+2bn+2bn+1bn+1bn=B3, limnbn+2bn=limnbn+2bn+1bn+1bn=B2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_{n+3}}{b_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{b_{n+3}}{b_{n+2}}\frac{b_{n+2}}{b_{n+1}}\frac{b_{n+1}}{b_n}=B^3,\ \lim_{n\to\infty}\frac{b_{n+2}}{b_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{b_{n+2}}{b_{n+1}}\frac{b_{n+1}}{b_n}=B^2이다. 따라서 위의 관계식에서 n\displaystyle n을 무한대로 보내어 B3=B2+B+1\displaystyle B^3=B^2+B+1을 얻는다. 이제 f(x)=x3x2x1\displaystyle f(x)=x^3-x^2-x-1라 놓으면 B\displaystyle B는 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 근이다.

+5점 · f(x)\displaystyle f(x)의 증감을 조사하면 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 x\displaystyle x축과 한 번 만난다는 사실을 알 수 있다.

f(x)\displaystyle f(x)의 증감을 조사하면 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 x\displaystyle x축과 한 번 만난다는 사실을 알 수 있다.

삼차함수 f(x)의 증감표
삼차함수 y=x³−x²−x−1의 그래프
+5점 · 사잇값 정리에 의하여 32<B<2\displaystyle \frac32<B<2이 증명된다.

그런데 f(32)=118<0\displaystyle f\left(\frac32\right)=-\frac{11}8<0이고 f(2)=1>0\displaystyle f(2)=1>0이므로 사잇값 정리에 의하여 32<B<2\displaystyle \frac32<B<2이 증명된다.

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