수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

정의역과 공역이 모두 자연수인 함수 f\displaystyle f가 아래 두 조건을 만족한다고 할 때, 아래 물음에 답하시오.

(A) f(n+1)>f(n)\displaystyle f(n+1)>f(n)

(B) f(n+f(m))=f(n)+m+1\displaystyle f(n+f(m))=f(n)+m+1

(1) 모든 n\displaystyle n에 대하여, f(n)>n\displaystyle f(n)>n이 성립함을 보이시오. [15점]

(2) 위 두 조건을 만족하는 f(n)\displaystyle f(n)을 모두 찾아 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내고 그 근거를 제시하시오. [15점]

심화 함수방정식

(1) f(n)≤n\displaystyle f(n)\le n을 만족하는 자연수 n\displaystyle n이 존재한다고 가정하자.조건 (A)로부터 f(n−1)<f(n)≤n\displaystyle f(n-1)<f(n)\le n이 되고, 공역이 자연수이므로 f(n−1)≤n−1\displaystyle f(n-1)\le n-1을 얻게 된다.마찬가지로 모든 k≤n\displaystyle k\le n인 k\displaystyle k에 대하여 f(k)≤k\displaystyle f(k)\le k가 성립함을 알 수 있다.이 때, 1≤n\displaystyle 1\le n이므로 f(1)≤1\displaystyle f(1)\le 1이 성립하는데 공역이 자연수이므로 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이어야 한다.이것을 조건 (B)와 함께 활용하면f(2)=f(1+f(1))=f(1)+1+1=3f(3)=f(2+f(1))=f(2)+1+1=5f(4)=f(1+f(2))=f(1)+2+1=4\displaystyle \begin{aligned} f(2)&=f(1+f(1))=f(1)+1+1=3 \\ f(3)&=f(2+f(1))=f(2)+1+1=5 \\ f(4)&=f(1+f(2))=f(1)+2+1=4 \end{aligned}를 얻게 된다.여기서 f(3)≥f(4)\displaystyle f(3)\ge f(4)는 조건 (A)에 위배되어 모순이다.따라서, f(n)≤n\displaystyle f(n)\le n을 만족하는 자연수 n\displaystyle n은 존재할 수 없다.

(2) f(1)=t\displaystyle f(1)=t라 하면 공역이 자연수이므로 t\displaystyle t도 자연수이다.조건 (B)를 이용하면f(1+t)=f(1+f(1))=f(1)+1+1=t+2\displaystyle f(1+t)=f(1+f(1))=f(1)+1+1=t+2가 된다.한편, 위 (1)의 결과로부터 t=f(1)>1\displaystyle t=f(1)>1이므로 1<t<t+1\displaystyle 1<t<t+1이 된다.여기서 조건 (A)와 앞선 결과를 활용하면t=f(1)<f(t)<f(t+1)=t+2\displaystyle t=f(1)<f(t)<f(t+1)=t+2가 되어, f(t)=t+1\displaystyle f(t)=t+1임을 알 수 있다.또한, 조건 (A)와 (B)를 적용하면,f(1)+1+1=f(1+f(1))=f(1+t)≥f(t)+1≥⋯≥f(1)+t\displaystyle f(1)+1+1=f(1+f(1))=f(1+t)\ge f(t)+1\ge\cdots\ge f(1)+t가 성립한다.따라서 f(1)=t≤2\displaystyle f(1)=t\le 2이다.한편, f(1)>1\displaystyle f(1)>1이므로 f(1)=2\displaystyle f(1)=2이다.이것을 앞에서 얻은 결과 f(t)=t+1\displaystyle f(t)=t+1에 적용하면 f(2)=3\displaystyle f(2)=3임을 알 수 있다.조건 (B)를 적용하면, 임의의 자연수 k\displaystyle k에 대하여 f(k+2)=f(k+f(1))=f(k)+2\displaystyle f(k+2)=f(k+f(1))=f(k)+2를 얻게 된다.위의 세 결과 f(1)=2\displaystyle f(1)=2, f(2)=3\displaystyle f(2)=3, f(k+2)=f(k)+2\displaystyle f(k+2)=f(k)+2를 적용하면, f(k)=k+1\displaystyle f(k)=k+1이 성립함을 알 수 있다.

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