수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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+25점 · 주어진 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 제 n\displaystyle nan\displaystyle a_n1\displaystyle 1부터 n\displaystyle n까지 자연수의 약수의 평균 개수이다. 논제에서 aM=3\displaystyle a_M=3이고 n>M\displaystyle n>M일 때 an>3\displaystyle a_n>3이라는 것은 약수의 평균 개수가 3\displaystyle 3이 되는 M\displaystyle M에 대하여 n>M\displaystyle n>M이면 약수의 평균 개수가 3\displaystyle 3보다 크게 됨을 의미한다. 그런데 소수는 약수의 개수가 2\displaystyle 2이므로 평균이 3\displaystyle 3보다 크게 되려면 어떤 수 이상에서는 소수가 아닌 수의 약수의 개수가 4\displaystyle 4이상이 되어야 함을 암시하고 있다. 우선 M\displaystyle M을 찾기 위해 약수의 개수를 직접 구하여 보자. n12345678910f(n)1223242434an13/25/3227/316/75/223/927/10\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c}n&1&2&3&4&5&6&7&8&9&10\\\hline f(n)&1&2&2&3&2&4&2&4&3&4\\\hline a_n&1&3/2&5/3&2&2&7/3&16/7&5/2&23/9&27/10\end{array} n11121314151617f(n)2624452an29/1135/1237/1341/14325/852/17\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c}n&11&12&13&14&15&16&17\\\hline f(n)&2&6&2&4&4&5&2\\\hline a_n&29/11&35/12&37/13&41/14&3&25/8&52/17\end{array} 즉, n14\displaystyle n\le14일 때 an<3\displaystyle a_n<3이고 a15=3,a16>3,a17>3\displaystyle a_{15}=3,a_{16}>3,a_{17}>3이다.

주어진 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 제 n\displaystyle nan\displaystyle a_n1\displaystyle 1부터 n\displaystyle n까지 자연수의 약수의 평균 개수이다. 논제에서 aM=3\displaystyle a_M=3이고 n>M\displaystyle n>M일 때 an>3\displaystyle a_n>3이라는 것은 약수의 평균 개수가 3\displaystyle 3이 되는 M\displaystyle M에 대하여 n>M\displaystyle n>M이면 약수의 평균 개수가 3\displaystyle 3보다 크게 됨을 의미한다.그런데 소수는 약수의 개수가 2\displaystyle 2이므로 평균이 3\displaystyle 3보다 크게 되려면 어떤 수 이상에서는 소수가 아닌 수의 약수의 개수가 4\displaystyle 4이상이 되어야 함을 암시하고 있다.우선 M\displaystyle M을 찾기 위해 약수의 개수를 직접 구하여 보자.n12345678910f(n)1223242434an13/25/3227/316/75/223/927/10\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c}n&1&2&3&4&5&6&7&8&9&10\\\hline f(n)&1&2&2&3&2&4&2&4&3&4\\\hline a_n&1&3/2&5/3&2&2&7/3&16/7&5/2&23/9&27/10\end{array}n11121314151617f(n)2624452an29/1135/1237/1341/14325/852/17\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c}n&11&12&13&14&15&16&17\\\hline f(n)&2&6&2&4&4&5&2\\\hline a_n&29/11&35/12&37/13&41/14&3&25/8&52/17\end{array}즉, n14\displaystyle n\le14일 때 an<3\displaystyle a_n<3이고 a15=3,a16>3,a17>3\displaystyle a_{15}=3,a_{16}>3,a_{17}>3이다.

+55점 · 한편, f(n)=1n=1,  f(n)=2n\displaystyle f(n)=1\Leftrightarrow n=1,\;f(n)=2\Leftrightarrow n은 소수, f(n)=3\displaystyle f(n)=3\Leftrightarrow어떤 소수 p\displaystyle p에 대하여 n=p2\displaystyle n=p^2이다. 따라서 n6\displaystyle n\ge6인 짝수 n\displaystyle n은 약수의 개수가 4\displaystyle 4이상이고 n3\displaystyle n\ge3인 홀수 n\displaystyle n은 약수의 개수는 2\displaystyle 2이상이다. 그러므로 n5\displaystyle n\ge5인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(n)+f(n+1)2+4=6\displaystyle f(n)+f(n+1)\ge2+4=6이 된다. 그런데 a16>3,  a17>3\displaystyle a_{16}>3,\;a_{17}>3이므로 n18\displaystyle n\ge18일 때 다음이 성립한다. 1) n\displaystyle n이 짝수 : k=1nf(k)=k=116f(k)+(f(17)+f(18))++(f(n1)+f(n))>16×3+(n16)2×6=3n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^nf(k)&=\sum_{k=1}^{16}f(k)+(f(17)+f(18))+\cdots+(f(n-1)+f(n))\\&>16\times3+\frac{(n-16)}2\times6=3n\end{aligned} 2) n\displaystyle n이 홀수 : k=1nf(k)=k=117f(k)+(f(18)+f(19))++(f(n1)+f(n))>17×3+(n17)2×6=3n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^nf(k)&=\sum_{k=1}^{17}f(k)+(f(18)+f(19))+\cdots+(f(n-1)+f(n))\\&>17\times3+\frac{(n-17)}2\times6=3n\end{aligned} 그러므로 n18\displaystyle n\ge18n\displaystyle n에 대하여 an>3\displaystyle a_n>3이다.

한편, f(n)=1n=1,  f(n)=2n\displaystyle f(n)=1\Leftrightarrow n=1,\;f(n)=2\Leftrightarrow n은 소수,f(n)=3\displaystyle f(n)=3\Leftrightarrow어떤 소수 p\displaystyle p에 대하여 n=p2\displaystyle n=p^2이다.따라서 n6\displaystyle n\ge6인 짝수 n\displaystyle n은 약수의 개수가 4\displaystyle 4이상이고 n3\displaystyle n\ge3인 홀수 n\displaystyle n은 약수의 개수는 2\displaystyle 2이상이다.그러므로 n5\displaystyle n\ge5인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(n)+f(n+1)2+4=6\displaystyle f(n)+f(n+1)\ge2+4=6이 된다.그런데 a16>3,  a17>3\displaystyle a_{16}>3,\;a_{17}>3이므로 n18\displaystyle n\ge18일 때 다음이 성립한다.1) n\displaystyle n이 짝수 : k=1nf(k)=k=116f(k)+(f(17)+f(18))++(f(n1)+f(n))>16×3+(n16)2×6=3n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^nf(k)&=\sum_{k=1}^{16}f(k)+(f(17)+f(18))+\cdots+(f(n-1)+f(n))\\&>16\times3+\frac{(n-16)}2\times6=3n\end{aligned}2) n\displaystyle n이 홀수 : k=1nf(k)=k=117f(k)+(f(18)+f(19))++(f(n1)+f(n))>17×3+(n17)2×6=3n\displaystyle \begin{aligned}\sum_{k=1}^nf(k)&=\sum_{k=1}^{17}f(k)+(f(18)+f(19))+\cdots+(f(n-1)+f(n))\\&>17\times3+\frac{(n-17)}2\times6=3n\end{aligned}그러므로 n18\displaystyle n\ge18n\displaystyle n에 대하여 an>3\displaystyle a_n>3이다.

+10점 · 즉, n14\displaystyle n\le14일 때 an<3\displaystyle a_n<3이고 a15=3,n16\displaystyle a_{15}=3,n\ge16일 때 an>3\displaystyle a_n>3이다. 따라서 aM=3\displaystyle a_M=3M\displaystyle MM=15\displaystyle M=15이고, n>M\displaystyle n>M일 때 an>3\displaystyle a_n>3이다.

즉, n14\displaystyle n\le14일 때 an<3\displaystyle a_n<3이고 a15=3,n16\displaystyle a_{15}=3,n\ge16일 때 an>3\displaystyle a_n>3이다.따라서 aM=3\displaystyle a_M=3M\displaystyle MM=15\displaystyle M=15이고, n>M\displaystyle n>M일 때 an>3\displaystyle a_n>3이다.

+35점 · 실수 c1,c2\displaystyle c_1,c_2에 대하여 다음 부등식이 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 성립한다고 하자.1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}그러면 x>0\displaystyle x>0일 때 c1+c2xex21x\displaystyle c_1+c_2x\le\frac{e^{x^2}-1}x, x<0\displaystyle x<0일 때 c1+c2xex21x\displaystyle c_1+c_2x\ge\frac{e^{x^2}-1}x이 성립한다.limx0ex21x=limx0ex21x2×x=1×0=0\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-1}x=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-1}{x^2}\times x=1\times0=0이고 limx0(c1+c2x)=c1\displaystyle \lim_{x\to0}(c_1+c_2x)=c_1이므로 함수의 극한의 대소 관계에 의해 c1=limx0+(c1+c2x)limx0+ex21x=0\displaystyle c_1=\lim_{x\to0+}(c_1+c_2x)\le\lim_{x\to0+}\frac{e^{x^2}-1}x=0, c1=limx0(c1+c2x)limx0ex21x=0\displaystyle c_1=\lim_{x\to0-}(c_1+c_2x)\ge\lim_{x\to0-}\frac{e^{x^2}-1}x=0이 성립한다.즉, c10\displaystyle c_1\le0이고 c10\displaystyle c_1\ge0이다. 따라서 c1=0\displaystyle c_1=0이다.

실수 c1,c2\displaystyle c_1,c_2에 대하여 다음 부등식이 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 성립한다고 하자.1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}그러면 x>0\displaystyle x>0일 때 c1+c2xex21x\displaystyle c_1+c_2x\le\frac{e^{x^2}-1}x, x<0\displaystyle x<0일 때 c1+c2xex21x\displaystyle c_1+c_2x\ge\frac{e^{x^2}-1}x이 성립한다.limx0ex21x=limx0ex21x2×x=1×0=0\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-1}x=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-1}{x^2}\times x=1\times0=0이고 limx0(c1+c2x)=c1\displaystyle \lim_{x\to0}(c_1+c_2x)=c_1이므로 함수의 극한의 대소 관계에 의해 c1=limx0+(c1+c2x)limx0+ex21x=0\displaystyle c_1=\lim_{x\to0+}(c_1+c_2x)\le\lim_{x\to0+}\frac{e^{x^2}-1}x=0, c1=limx0(c1+c2x)limx0ex21x=0\displaystyle c_1=\lim_{x\to0-}(c_1+c_2x)\ge\lim_{x\to0-}\frac{e^{x^2}-1}x=0이 성립한다.즉, c10\displaystyle c_1\le0이고 c10\displaystyle c_1\ge0이다. 따라서 c1=0\displaystyle c_1=0이다.

+35점 · f(x)=ex21c2x2\displaystyle f(x)=e^{x^2}-1-c_2x^2이라고 하면 f(x)=2x(ex2c2)\displaystyle f^{\prime}(x)=2x(e^{x^2}-c_2)이다. 만일 c2>1\displaystyle c_2>1라고 하면 방정식 ex2c2=0\displaystyle e^{x^2}-c_2=0은 서로 다른 두 실근 α,α\displaystyle \alpha,-\alpha를 가진다. (단, α>0\displaystyle \alpha>0)이 때 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다. xα0αf(x)0+00+f(x)극소0극소\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c}x&\cdots&-\alpha&\cdots&0&\cdots&\alpha&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&-&0&+&0&-&0&+\\\hline f(x)&\searrow&\text{극소}&\nearrow&0&\searrow&\text{극소}&\nearrow\end{array} 즉, f(x)\displaystyle f(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 최솟값 f(α)\displaystyle f(\alpha)를 가지고 f(α)<0=f(0)\displaystyle f(\alpha)<0=f(0)이다. 따라서 x=α\displaystyle x=\alpha일 때 부등식 1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}이 성립하지 않는다. 그러므로 c2>1\displaystyle c_2>1일 수 없다.

f(x)=ex21c2x2\displaystyle f(x)=e^{x^2}-1-c_2x^2이라고 하면 f(x)=2x(ex2c2)\displaystyle f^{\prime}(x)=2x(e^{x^2}-c_2)이다.만일 c2>1\displaystyle c_2>1라고 하면 방정식 ex2c2=0\displaystyle e^{x^2}-c_2=0은 서로 다른 두 실근 α,α\displaystyle \alpha,-\alpha를 가진다. (단, α>0\displaystyle \alpha>0)이 때 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.xα0αf(x)0+00+f(x)극소0극소\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c}x&\cdots&-\alpha&\cdots&0&\cdots&\alpha&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&-&0&+&0&-&0&+\\\hline f(x)&\searrow&\text{극소}&\nearrow&0&\searrow&\text{극소}&\nearrow\end{array}즉, f(x)\displaystyle f(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 최솟값 f(α)\displaystyle f(\alpha)를 가지고 f(α)<0=f(0)\displaystyle f(\alpha)<0=f(0)이다.따라서 x=α\displaystyle x=\alpha일 때 부등식 1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}이 성립하지 않는다.그러므로 c2>1\displaystyle c_2>1일 수 없다.

+15점 · c2=1\displaystyle c_2=1이면 f(x)=2x(ex21)\displaystyle f^{\prime}(x)=2x(e^{x^2}-1)이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다. x0f(x)0+f(x)0\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c}x&\cdots&0&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&-&0&+\\\hline f(x)&\searrow&0&\nearrow\end{array} 즉, f(x)\displaystyle f(x)x=0\displaystyle x=0에서 최솟값 f(0)=0\displaystyle f(0)=0을 가지므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=ex21c2x20\displaystyle f(x)=e^{x^2}-1-c_2x^2\ge0이다. 따라서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}이 성립한다.

c2=1\displaystyle c_2=1이면 f(x)=2x(ex21)\displaystyle f^{\prime}(x)=2x(e^{x^2}-1)이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.x0f(x)0+f(x)0\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c}x&\cdots&0&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&-&0&+\\\hline f(x)&\searrow&0&\nearrow\end{array}즉, f(x)\displaystyle f(x)x=0\displaystyle x=0에서 최솟값 f(0)=0\displaystyle f(0)=0을 가지므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=ex21c2x20\displaystyle f(x)=e^{x^2}-1-c_2x^2\ge0이다.따라서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 1+c1x+c2x2ex2\displaystyle 1+c_1x+c_2x^2\le e^{x^2}이 성립한다.

+5점 · 따라서 제시문 (ㄹ)의 조건을 만족하는 실수 c1,c2\displaystyle c_1,c_2에 대하여 c1+c2\displaystyle c_1+c_2의 최댓값 A\displaystyle A1\displaystyle 1이 된다.

따라서 제시문 (ㄹ)의 조건을 만족하는 실수 c1,c2\displaystyle c_1,c_2에 대하여 c1+c2\displaystyle c_1+c_2의 최댓값 A\displaystyle A1\displaystyle 1이 된다.

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