수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

간호-자연 1번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · 행렬 A=(f(r)g(r)+α1h(r))\displaystyle A=\begin{pmatrix}f(r)&g(r)+\alpha\\1&h(r)\end{pmatrix}의 역행렬이 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 존재하려면 임의의 실수 r\displaystyle r에 대해 f(r)h(r)g(r)α0\displaystyle f(r)h(r)-g(r)-\alpha\ne0이어야 한다. F(r)=f(r)h(r)g(r)α\displaystyle F(r)=f(r)h(r)-g(r)-\alpha이라고 하면 F(r)=14r4+13r3r22rα\displaystyle F(r)=\frac14r^4+\frac13r^3-r^2-2r-\alpha이다.

행렬 A=(f(r)g(r)+α1h(r))\displaystyle A=\begin{pmatrix}f(r)&g(r)+\alpha\\1&h(r)\end{pmatrix}의 역행렬이 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 존재하려면 임의의 실수 r\displaystyle r에 대해 f(r)h(r)g(r)α0\displaystyle f(r)h(r)-g(r)-\alpha\ne0이어야 한다.F(r)=f(r)h(r)g(r)α\displaystyle F(r)=f(r)h(r)-g(r)-\alpha이라고 하면 F(r)=14r4+13r3r22rα\displaystyle F(r)=\frac14r^4+\frac13r^3-r^2-2r-\alpha이다.

+7점 · 그런데 F(r)=r3+r22r2=(r+1)(r22)\displaystyle F^{\prime}(r)=r^3+r^2-2r-2=(r+1)(r^2-2)이고 F(2)=1+432α,  F(2)=1432α\displaystyle F(-\sqrt2)=-1+\frac43\sqrt2-\alpha,\;F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha이므로 F(r)\displaystyle F(r)r=2\displaystyle r=\sqrt2일 때 최솟값 F(2)=1432α\displaystyle F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha을 가지고 limrF(r)=,  limrF(r)=\displaystyle \lim_{r\to\infty}F(r)=\infty,\;\lim_{r\to-\infty}F(r)=\infty이므로 임의의 실수 r\displaystyle r에 대해 F(r)0\displaystyle F(r)\ne0일 필요충분조건은 F(2)=1432α>0\displaystyle F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha>0인 것이다. 따라서 행렬 A\displaystyle A의 역행렬이 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 존재하기 위한 모든 α\displaystyle \alpha의 범위는 α<1432\displaystyle \alpha<-1-\frac43\sqrt2이다.

그런데 F(r)=r3+r22r2=(r+1)(r22)\displaystyle F^{\prime}(r)=r^3+r^2-2r-2=(r+1)(r^2-2)이고 F(2)=1+432α,  F(2)=1432α\displaystyle F(-\sqrt2)=-1+\frac43\sqrt2-\alpha,\;F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha이므로 F(r)\displaystyle F(r)r=2\displaystyle r=\sqrt2일 때 최솟값 F(2)=1432α\displaystyle F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha을 가지고 limrF(r)=,  limrF(r)=\displaystyle \lim_{r\to\infty}F(r)=\infty,\;\lim_{r\to-\infty}F(r)=\infty이므로 임의의 실수 r\displaystyle r에 대해 F(r)0\displaystyle F(r)\ne0일 필요충분조건은 F(2)=1432α>0\displaystyle F(\sqrt2)=-1-\frac43\sqrt2-\alpha>0인 것이다.따라서 행렬 A\displaystyle A의 역행렬이 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 존재하기 위한 모든 α\displaystyle \alpha의 범위는 α<1432\displaystyle \alpha<-1-\frac43\sqrt2이다.

+5점 · 행렬 B=(f(2)g(2)+β1h(2))=(6g(2)+β13)\displaystyle B=\begin{pmatrix}f(2)&g(2)+\beta\\1&h(2)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6&g(2)+\beta\\1&3\end{pmatrix}의 역행렬이 존재하지 않는 경우는 g(2)+β=18\displaystyle g(2)+\beta=18인 경우이다. 이 때 제시문 (ㄹ)에 의해 B29B=O\displaystyle B^2-9B=O을 만족한다. 따라서 Bn=9n1B\displaystyle B^n=9^{n-1}B이다.

행렬 B=(f(2)g(2)+β1h(2))=(6g(2)+β13)\displaystyle B=\begin{pmatrix}f(2)&g(2)+\beta\\1&h(2)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6&g(2)+\beta\\1&3\end{pmatrix}의 역행렬이 존재하지 않는 경우는 g(2)+β=18\displaystyle g(2)+\beta=18인 경우이다.이 때 제시문 (ㄹ)에 의해 B29B=O\displaystyle B^2-9B=O을 만족한다. 따라서 Bn=9n1B\displaystyle B^n=9^{n-1}B이다.

+5점 · 그러므로 행렬 B\displaystyle B의 역행렬이 존재하지 않을 때 Bn\displaystyle B^n의 모든 성분의 합은 Sn=28×9n1\displaystyle S_n=28\times9^{n-1}이다. 따라서 행렬 B\displaystyle B의 역행렬이 존재하지 않을 때, limnlog3(Sn)n=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\log_3(S_n)}n=2이다.

그러므로 행렬 B\displaystyle B의 역행렬이 존재하지 않을 때 Bn\displaystyle B^n의 모든 성분의 합은 Sn=28×9n1\displaystyle S_n=28\times9^{n-1}이다.따라서 행렬 B\displaystyle B의 역행렬이 존재하지 않을 때, limnlog3(Sn)n=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\log_3(S_n)}n=2이다.

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