수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] [40점]

(1) 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 ex>1+x\displaystyle e^x>1+x가 성립함을 보이시오.

(2) 함수 f(x)=xln⁡(1+1x)\displaystyle f(x)=x\ln\left(1+\frac1x\right)이 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가함을 평균값의 정리를 이용하여 보이시오.

(3) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 아래 조건 (i), (ii)를 만족하면 수렴한다.

(i) an≤an+1\displaystyle a_n\le a_{n+1} (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)

(ii) 어떤 양의 실수 M\displaystyle M에 대하여 an≤M\displaystyle a_n\le M (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)

수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 일반항이 bn=(1+1n)n\displaystyle b_n=\left(1+\frac1n\right)^n (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)일 때, 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}이 위의 조건 (i), (ii)를 만족함을 보임으로써 수렴함을 보이시오.

해설강의 준비중

(1) 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 ex>1+x\displaystyle e^x>1+x가 성립함을 보이시오.함수 g(x)=ex−1−x\displaystyle g(x)=e^x-1-x를 미분하면 g′(x)=ex−1\displaystyle g^{\prime}(x)=e^x-1이고, g(0)=e0−1=0\displaystyle g(0)=e^0-1=0이다.평균값의 정리에 의하여 다음을 만족하는 c\displaystyle c가 (0,x)\displaystyle (0,x) 안에 적어도 하나 존재한다.g(x)−g(0)x−0=ex−1−xx=ec−1=g′(c)\displaystyle \frac{g(x)-g(0)}{x-0}=\frac{e^x-1-x}{x}=e^c-1=g^{\prime}(c)x\displaystyle x와 c\displaystyle c가 양의 실수이므로 ec−1>0\displaystyle e^c-1>0이고 x>0\displaystyle x>0이다. 따라서 g(x)=xg′(c)=x(ec−1)>0\displaystyle g(x)=xg^{\prime}(c)=x(e^c-1)>0이다.결론적으로 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 ex>1+x\displaystyle e^x>1+x가 성립한다.

(2) 함수 f(x)=xln⁡(1+1x)\displaystyle f(x)=x\ln\left(1+\frac1x\right)이 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가함을 평균값의 정리를 이용하여 보이시오.로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x의 도함수는 1x\displaystyle \frac1x이다. 평균값의 정리에 의하여 다음을 만족하는 c\displaystyle c가 (x,x+1)\displaystyle (x,x+1) 안에 적어도 하나 존재한다.ln⁡(x+1)−ln⁡x=1c\displaystyle \ln(x+1)-\ln x=\frac1c함수 f(x)=xln⁡(1+1x)=xln⁡(x+1x)=x(ln⁡(x+1)−ln⁡x)\displaystyle f(x)=x\ln\left(1+\frac1x\right)=x\ln\left(\frac{x+1}{x}\right)=x(\ln(x+1)-\ln x)를 미분하면f′(x)=ln⁡(x+1)−ln⁡x+x(1x+1−1x)=ln⁡(x+1)−ln⁡x−1x+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(x+1)-\ln x+x\left(\frac1{x+1}-\frac1x\right)=\ln(x+1)-\ln x-\frac1{x+1}이고, 1c>1x+1\displaystyle \frac1c>\frac1{x+1}이므로 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가한다.

(3) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 아래 조건 (i), (ii)를 만족하면 수렴한다.(i) an≤an+1\displaystyle a_n\le a_{n+1} (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)(ii) 어떤 양의 실수 M\displaystyle M에 대하여 an≤M\displaystyle a_n\le M (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 일반항이 bn=(1+1n)n\displaystyle b_n=\left(1+\frac1n\right)^n (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)일 때, 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}이 위의 조건 (i), (ii)를 만족함을 보임으로써 수렴함을 보이시오.(2)의 결과로부터 함수 f(x)=xln⁡(1+1x)\displaystyle f(x)=x\ln\left(1+\frac1x\right)가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가함수이므로, 자연수 n\displaystyle n에 대하여 아래 부등식이 성립한다.nln⁡(1+1n)≤(n+1)ln⁡(1+1n+1)\displaystyle n\ln\left(1+\frac1n\right)\le(n+1)\ln\left(1+\frac1{n+1}\right)로그함수의 성질로부터ln⁡(1+1n)n≤ln⁡(1+1n+1)n+1\displaystyle \ln\left(1+\frac1n\right)^n\le\ln\left(1+\frac1{n+1}\right)^{n+1}이다. 로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x가 증가함수이므로(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. 따라서 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}은 조건 (i)을 만족한다.(1)의 결과로부터 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 ex>1+x\displaystyle e^x>1+x이 성립하므로, 자연수 n\displaystyle n에 대하여 아래 부등식이 성립한다.1+1n<e1n\displaystyle 1+\frac1n<e^{\frac1n}로그함수는 증가함수이므로ln⁡(1+1n)<ln⁡e1n=1n\displaystyle \ln\left(1+\frac1n\right)<\ln e^{\frac1n}=\frac1n이 성립한다. 로그함수의 성질로부터ln⁡(1+1n)n=nln⁡(1+1n)<1=ln⁡e\displaystyle \ln\left(1+\frac1n\right)^n=n\ln\left(1+\frac1n\right)<1=\ln e이다. 로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x가 증가함수이므로(1+1n)n≤e\displaystyle \left(1+\frac1n\right)^n\le e이 성립한다. 따라서 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}은 조건 (ii)를 만족한다.수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}이 조건 (i), (ii)를 만족하므로 수렴한다.

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