수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(논제 1) (20점)

+15점 · 함수 g(t)=1t\displaystyle g(t)=\frac1t이라고 하면 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 g(t)>0\displaystyle g(t)>0이고 감소하므로, 제시문 (ㄱ)과 (ㄴ)에 의해서 1n+1=(11+1n)(1+1n1)<11+1/n1tdt=ln(1+1n)<1×(1+1n1)=1n\displaystyle \frac1{n+1}=\left(\frac1{1+\frac1n}\right)\left(1+\frac1n-1\right)<\int_1^{1+1/n}\frac1t\,dt=\ln\left(1+\frac1n\right)<1\times\left(1+\frac1n-1\right)=\frac1n

함수 g(t)=1t\displaystyle g(t)=\frac1t이라고 하면 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 g(t)>0\displaystyle g(t)>0이고 감소하므로, 제시문 (ㄱ)과 (ㄴ)에 의해서1n+1=(11+1n)(1+1n1)<11+1/n1tdt=ln(1+1n)<1×(1+1n1)=1n\displaystyle \frac1{n+1}=\left(\frac1{1+\frac1n}\right)\left(1+\frac1n-1\right)<\int_1^{1+1/n}\frac1t\,dt=\ln\left(1+\frac1n\right)<1\times\left(1+\frac1n-1\right)=\frac1n

+5점 · 따라서 12nn+1<ln(1+1n)n<1e<(1+1n)n<e\displaystyle \frac12\leq\frac{n}{n+1}<\ln\left(1+\frac1n\right)^n<1\quad\Rightarrow\quad\sqrt e<\left(1+\frac1n\right)^n<e. 그러므로 제시문 (ㄷ)의 명제 A\displaystyle A는 참이다.

따라서12nn+1<ln(1+1n)n<1e<(1+1n)n<e\displaystyle \frac12\leq\frac{n}{n+1}<\ln\left(1+\frac1n\right)^n<1\quad\Rightarrow\quad\sqrt e<\left(1+\frac1n\right)^n<e.그러므로 제시문 (ㄷ)의 명제 A\displaystyle A는 참이다.

(논제 2) (20점)

+8점 · f(x)=x3(1+1n)nx2+xe\displaystyle f(x)=x^3-\left(1+\frac1n\right)^nx^2+x-e이라고 하자. (a) 논제 1로부터, f((1+1n)n)=(1+1n)3n(1+1n)3n+(1+1n)ne<0\displaystyle f\left(\left(1+\frac1n\right)^n\right)=\left(1+\frac1n\right)^{3n}-\left(1+\frac1n\right)^{3n}+\left(1+\frac1n\right)^n-e<0이고 f(e)=e3(1+1n)ne2+ee=e2(e(1+1n)n)>0\displaystyle f(e)=e^3-\left(1+\frac1n\right)^ne^2+e-e=e^2\left(e-\left(1+\frac1n\right)^n\right)>0. 따라서 사잇값 정리에 의해 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 열린구간 ((1+1n)n,e)\displaystyle \left(\left(1+\frac1n\right)^n,e\right)에서 적어도 하나의 실근을 갖는다.

f(x)=x3(1+1n)nx2+xe\displaystyle f(x)=x^3-\left(1+\frac1n\right)^nx^2+x-e이라고 하자.(a) 논제 1로부터,f((1+1n)n)=(1+1n)3n(1+1n)3n+(1+1n)ne<0\displaystyle f\left(\left(1+\frac1n\right)^n\right)=\left(1+\frac1n\right)^{3n}-\left(1+\frac1n\right)^{3n}+\left(1+\frac1n\right)^n-e<0이고f(e)=e3(1+1n)ne2+ee=e2(e(1+1n)n)>0\displaystyle f(e)=e^3-\left(1+\frac1n\right)^ne^2+e-e=e^2\left(e-\left(1+\frac1n\right)^n\right)>0.따라서 사잇값 정리에 의해 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 열린구간 ((1+1n)n,e)\displaystyle \left(\left(1+\frac1n\right)^n,e\right)에서 적어도 하나의 실근을 갖는다.

+8점 · (b) x>e\displaystyle x>e인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=3x22(1+1n)nx+1=x(3x2(1+1n)n)+1>0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-2\left(1+\frac1n\right)^nx+1=x\left(3x-2\left(1+\frac1n\right)^n\right)+1>0 이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (e,)\displaystyle (e,\infty)에서 증가한다. 따라서 xe\displaystyle x\geq e인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)f(e)>0\displaystyle f(x)\geq f(e)>0. 그러므로 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 구간 (e,)\displaystyle (e,\infty)에서 해를 갖지 않는다.

(b) x>e\displaystyle x>e인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여f(x)=3x22(1+1n)nx+1=x(3x2(1+1n)n)+1>0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-2\left(1+\frac1n\right)^nx+1=x\left(3x-2\left(1+\frac1n\right)^n\right)+1>0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (e,)\displaystyle (e,\infty)에서 증가한다. 따라서 xe\displaystyle x\geq e인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여f(x)f(e)>0\displaystyle f(x)\geq f(e)>0.그러므로 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 구간 (e,)\displaystyle (e,\infty)에서 해를 갖지 않는다.

+4점 · 논제 1과 (a), (b)에 의해서 제시문 (ㄹ)의 수 an\displaystyle a_n은 다음을 만족한다. (1+1n)n<an<e\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n<a_n<e. 한편, limn(1+1n)n=e\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^n=e이므로 limnan=e\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=e.

논제 1과 (a), (b)에 의해서 제시문 (ㄹ)의 수 an\displaystyle a_n은 다음을 만족한다.(1+1n)n<an<e\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n<a_n<e.한편, limn(1+1n)n=e\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^n=e이므로limnan=e\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=e.

1. 기본 사항

가. 각 논제를 각각 가중치를 가지고 채점하되 총점으로 환산하여 총괄 평가. 수리논술에서는 배당된 점수 범위 내에서 등급이 아닌 점수로 표기하여 합산한다.

나. 논술 답안에 수험생의 신원을 알릴 만한 요소가 있을 때는 다음과 같이 처리한다.

① 이름이 본문 내용과 별도로 표기된 경우 : 내용, 형식 모두 0점으로 채점

② 이름이 본문 중에 자연스럽게 노출된 경우 : 형식 부분에서 5점 감점

③ 제목이 표기된 경우 : 형식 부분에서 5점 감점

④ 기타 의도적으로 수험생의 신원을 알리는 기호로 판단되는 요소가 있는 경우 : 사안의 경중에 따라 형식 부분에서 5점 이상 감점

2. 세부 사항

가. 문제의 의도에서 완전히 이탈했거나 각 논제와 전혀 다른 내용을 서술한 경우는 0점으로 채점한다.

나. 각 문항별 채점 기준은 다음과 같다.

첨삭 사례

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