수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] [35점]

(1) 수학적 귀납법을 이용하여 n\displaystyle n이 자연수이고 x\displaystyle x가 −1\displaystyle -1보다 같거나 큰 실수이면 다음의 부등식이 성립함을 보여라.(1+x)n≥1+nx\displaystyle (1+x)^n\ge1+nx

(2) n\displaystyle n이 임의의 자연수일 때, 위의 부등식을 이용하여 다음이 성립함을 보여라.(1+1n)n≤(1+1n+1)n+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}

(3) 임의의 두 자연수 m\displaystyle m과 n\displaystyle n에 대하여 다음이 성립함을 보여라.(1+1n)n<(1+1m)m+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n<\left(1+\frac1m\right)^{m+1}

(4) n\displaystyle n이 임의의 자연수일 때, 다음이 성립함을 보여라.2≤(1+1n)n<3\displaystyle 2\le\left(1+\frac1n\right)^n<3

해설강의 준비중

(1) 수학적 귀납법을 이용하여 n\displaystyle n이 자연수이고 x\displaystyle x가 −1\displaystyle -1보다 같거나 큰 실수이면 다음의 부등식이 성립함을 보여라.(1+x)n≥1+nx\displaystyle (1+x)^n\ge1+nxn\displaystyle n이 1일 때 위의 부등식이 자명하게 성립한다.위의 부등식이 n=k\displaystyle n=k일 때 성립한다고 가정하고, n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 성립함을 보이자.(1+x)k+1=(1+x)k(1+x)≥(1+kx)(1+x)=1+(k+1)x+kx2≥1+(k+1)x\displaystyle (1+x)^{k+1}=(1+x)^k(1+x)\ge(1+kx)(1+x)=1+(k+1)x+kx^2\ge1+(k+1)x따라서 수학적 귀납법에 의하여 모든 자연수 n\displaystyle n과 x≥−1\displaystyle x\ge-1에 대하여 (1+x)n≥1+nx\displaystyle (1+x)^n\ge1+nx이 성립한다.참고로, 위의 전개식에서, 첫 번째 부등식이 성립하는 이유는 n=k\displaystyle n=k일 때 (1+x)k≥1+kx\displaystyle (1+x)^k\ge1+kx라고 가정하였고 1+x≥0\displaystyle 1+x\ge0이기 때문이며, 두 번째 부등식이 성립하는 이유는 모든 자연수 k\displaystyle k와 실수 x\displaystyle x에 대하여 kx2≥0\displaystyle kx^2\ge0이기 때문이다.

(2) n\displaystyle n이 임의의 자연수일 때, 위의 부등식을 이용하여 다음이 성립함을 보여라.(1+1n)n≤(1+1n+1)n+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}

임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 1≤(1+1n+1)n+1(1+1n)n\displaystyle 1\le\frac{\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1+\frac1n\right)^n}을 보이자.(1+1n+1)n+1(1+1n)n=(1+1n+1)n+1(1+1n)n+1⋅(1+1n)=(n+2n+1n+1n)n+1⋅(1+1n)=(n2+2n+1−1(n+1)2)n+1⋅(1+1n)=(1+−1(n+1)2)n+1⋅(1+1n)\displaystyle \begin{aligned}\frac{\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1+\frac1n\right)^n}&=\frac{\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1+\frac1n\right)^{n+1}}\cdot\left(1+\frac1n\right)=\left(\frac{\frac{n+2}{n+1}}{\frac{n+1}n}\right)^{n+1}\cdot\left(1+\frac1n\right)\\&=\left(\frac{n^2+2n+1-1}{(n+1)^2}\right)^{n+1}\cdot\left(1+\frac1n\right)\\&=\left(1+\frac{-1}{(n+1)^2}\right)^{n+1}\cdot\left(1+\frac1n\right)\end{aligned}이고,x=−1(n+1)2>−1\displaystyle x=-\frac1{(n+1)^2}>-1에 대하여 (1)의 부등식에 의하여(1+−1(n+1)2)n+1≥1+(n+1)⋅−1(n+1)2=1−1(n+1)\displaystyle \left(1+\frac{-1}{(n+1)^2}\right)^{n+1}\ge1+(n+1)\cdot\frac{-1}{(n+1)^2}=1-\frac1{(n+1)}이 성립한다.그러므로 (1+1n+1)n+1(1+1n)n=(1+−1(n+1)2)n+1⋅(1+1n)≥(1−1n+1)⋅(1+1n)=nn+1⋅n+1n=1\displaystyle \frac{\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1+\frac1n\right)^n}=\left(1+\frac{-1}{(n+1)^2}\right)^{n+1}\cdot\left(1+\frac1n\right)\ge\left(1-\frac1{n+1}\right)\cdot\left(1+\frac1n\right)=\frac n{n+1}\cdot\frac{n+1}n=1이 참이고, 부등식 (1+1n)n≤(1+1n+1)n+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}이 성립한다.

(3) 임의의 두 자연수 m\displaystyle m과 n\displaystyle n에 대하여 다음이 성립함을 보여라.(1+1n)n<(1+1m)m+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n<\left(1+\frac1m\right)^{m+1}

n=m\displaystyle n=m인 경우: 1<1+1m\displaystyle 1<1+\frac1m이므로(1+1n)n=(1+1m)m<(1+1m)m⋅(1+1m)=(1+1m)m+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n=\left(1+\frac1m\right)^m<\left(1+\frac1m\right)^m\cdot\left(1+\frac1m\right)=\left(1+\frac1m\right)^{m+1}이 성립한다.

n<m\displaystyle n<m인 경우: m=n+k\displaystyle m=n+k이면 (2)의 부등식에 의하여(1+1n)n≤(1+1n+1)n+1≤⋯≤(1+1n+k)n+k=(1+1m)m\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}\le\cdots\le\left(1+\frac1{n+k}\right)^{n+k}=\left(1+\frac1m\right)^m이 참이고,1<1+1m\displaystyle 1<1+\frac1m이므로 (1+1n)n≤(1+1m)m<(1+1m)m+1\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le\left(1+\frac1m\right)^m<\left(1+\frac1m\right)^{m+1}이 성립한다.

n>m\displaystyle n>m인 경우: (1−1n)n\displaystyle \left(1-\frac1n\right)^n에 대하여 (2)의 풀이를 그대로 반복하면(1−1n+1)n+1(1−1n)n=(1−1n+1)n+1(1−1n)n+1⋅(1−1n)=(nn+1n−1n)n+1⋅(1−1n)=(n2−1+1n2−1)n+1⋅(1−1n)=(1+1n2−1)n+1⋅(1−1n)\displaystyle \begin{aligned}\frac{\left(1-\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1-\frac1n\right)^n}&=\frac{\left(1-\frac1{n+1}\right)^{n+1}}{\left(1-\frac1n\right)^{n+1}}\cdot\left(1-\frac1n\right)=\left(\frac{\frac n{n+1}}{\frac{n-1}n}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac1n\right)\\&=\left(\frac{n^2-1+1}{n^2-1}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac1n\right)\\&=\left(1+\frac1{n^2-1}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac1n\right)\end{aligned}이고,x=1n2−1>−1\displaystyle x=\frac1{n^2-1}>-1에 대하여 (1)의 부등식에 의하여(1+1n2−1)n+1≥1+(n+1)⋅1n2−1=1+1n−1=nn−1\displaystyle \left(1+\frac1{n^2-1}\right)^{n+1}\ge1+(n+1)\cdot\frac1{n^2-1}=1+\frac1{n-1}=\frac n{n-1}이 성립하고(1+1n2−1)n+1⋅(1−1n)≥nn−1⋅(1−1n)=1\displaystyle \left(1+\frac1{n^2-1}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac1n\right)\ge\frac n{n-1}\cdot\left(1-\frac1n\right)=1이다.그러므로 (1−1n)n≤(1−1n+1)n+1\displaystyle \left(1-\frac1n\right)^n\le\left(1-\frac1{n+1}\right)^{n+1}이 성립함을 알 수 있다.한편 (1+1m)m+1=(m+1m)m+1=1(mm+1)m+1=1(1−1m+1)m+1\displaystyle \left(1+\frac1m\right)^{m+1}=\left(\frac{m+1}m\right)^{m+1}=\frac1{\left(\frac m{m+1}\right)^{m+1}}=\frac1{\left(1-\frac1{m+1}\right)^{m+1}}이므로 위의 부등식에 의하여(1+1m)m+1=1(1−1m+1)m+1≤1(1−1m)m=(1+1m−1)m\displaystyle \left(1+\frac1m\right)^{m+1}=\frac1{\left(1-\frac1{m+1}\right)^{m+1}}\le\frac1{\left(1-\frac1m\right)^m}=\left(1+\frac1{m-1}\right)^m이 참이다.그러므로 n>m\displaystyle n>m이어서 n=m+k\displaystyle n=m+k로 주어진다면,(1+1n)n<(1+1n)n+1=(1+1m+k)m+k+1≤(1+1m+k−1)m+k≤(1+1m+k−2)m+k−1≤⋯≤(1+1m)m+1\displaystyle \begin{aligned}\left(1+\frac1n\right)^n<\left(1+\frac1n\right)^{n+1}&=\left(1+\frac1{m+k}\right)^{m+k+1}\\&\le\left(1+\frac1{m+k-1}\right)^{m+k}\le\left(1+\frac1{m+k-2}\right)^{m+k-1}\\&\le\cdots\le\left(1+\frac1m\right)^{m+1}\end{aligned}이 성립한다.

(4) n\displaystyle n이 임의의 자연수일 때, 다음이 성립함을 보여라.2≤(1+1n)n<3\displaystyle 2\le\left(1+\frac1n\right)^n<3

(2)에 의하여 xn=(1+1n)n\displaystyle x_n=\left(1+\frac1n\right)^n은 증가하는 수열이고 xn\displaystyle x_n의 극한이 자연상수 e\displaystyle e이다.그러므로 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 2=x1≤xn=(1+1n)n≤e<3\displaystyle 2=x_1\le x_n=\left(1+\frac1n\right)^n\le e<3이 성립한다.

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