수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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1-(1) 부등식 x2x+1\displaystyle x^2\le x+1의 해가 αxβ\displaystyle \alpha\le x\le\beta일 때 α,β\displaystyle \alpha,\beta를 구하고, 닫힌구간 [0,β]\displaystyle [0,\beta]에서 함수 f(x)=x+1x+1\displaystyle f(x)=x+\frac1{x+1}의 최댓값이 2\displaystyle 2임을 보이시오.

[풀이]

+2점 · x2x1=0\displaystyle x^2-x-1=0의 해 x=1±52\displaystyle x=\frac{1\pm\sqrt5}2를 구함.

함수 g(x)=x2x1\displaystyle g(x)=x^2-x-1에 대하여, g(x)=0\displaystyle g(x)=0의 해는 x=1±52\displaystyle x=\frac{1\pm\sqrt5}2이다.

+2점 · x2x+1\displaystyle x^2\le x+1의 해 152x1+52\displaystyle \frac{1-\sqrt5}2\le x\le\frac{1+\sqrt5}2를 구하거나 α=152,β=1+52\displaystyle \alpha=\frac{1-\sqrt5}2,\beta=\frac{1+\sqrt5}2를 구함.

따라서 g(x)0\displaystyle g(x)\le0, 즉 x2x+1\displaystyle x^2\le x+1의 해는 152x1+52\displaystyle \frac{1-\sqrt5}2\le x\le\frac{1+\sqrt5}2이다. 그러므로 α=152\displaystyle \alpha=\frac{1-\sqrt5}2, β=1+52\displaystyle \beta=\frac{1+\sqrt5}2이다.

+3점 · 구간 (0,1+52)\displaystyle \left(0,\frac{1+\sqrt5}2\right)에서 f(x)=11(x+1)2>0\displaystyle f^{\prime}(x)=1-\frac1{(x+1)^2}>0임을 보임으로써 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [0,1+52]\displaystyle \left[0,\frac{1+\sqrt5}2\right]에서 증가함수임을 보임. ※ f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [0,1+52]\displaystyle \left[0,\frac{1+\sqrt5}2\right]에서 증가함수임을 논리적으로 보이면 3점 부여

구간 [0,β]=[0,1+52]\displaystyle [0,\beta]=\left[0,\frac{1+\sqrt5}2\right]에서 함수 f(x)=x+1x+1\displaystyle f(x)=x+\frac1{x+1}은 잘 정의되고, 구간 (0,1+52)\displaystyle \left(0,\frac{1+\sqrt5}2\right)에서f(x)=11(x+1)2>0\displaystyle f^{\prime}(x)=1-\frac1{(x+1)^2}>0이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 [0,1+52]\displaystyle \left[0,\frac{1+\sqrt5}2\right]에서 증가함수이므로 x=1+52\displaystyle x=\frac{1+\sqrt5}2에서 최댓값을 갖는다.

+3점 · x=1+52\displaystyle x=\frac{1+\sqrt5}2에서 최댓값 f(1+52)=2\displaystyle f\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)=2를 가짐을 보임. ※ f(1+52)=1+52+11+52+1=2\displaystyle f\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)=\frac{1+\sqrt5}2+\frac1{\frac{1+\sqrt5}2+1}=2의 전개 과정 없이 f(1+52)=2\displaystyle f\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)=2를 주장하면 1점 부여

f(1+52)=1+52+11+52+1=2\displaystyle f\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)=\frac{1+\sqrt5}2+\frac1{\frac{1+\sqrt5}2+1}=2이므로 구간 [0,β]\displaystyle [0,\beta]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 2\displaystyle 2이다.

1-(2) β\displaystyle \beta가 문항 1-(1)에서 정해질 때, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 두 부등식 anβ\displaystyle a_n\ge\betabnβ\displaystyle b_n\le\beta가 각각 성립함을 수학적 귀납법을 이용하여 보이시오.

[풀이]

+2점 · 첫 항 a1=21+52\displaystyle a_1=2\ge\frac{1+\sqrt5}2임을 보임.

(i) 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 첫 항 a1=21+52\displaystyle a_1=2\ge\frac{1+\sqrt5}2이다.

+2점 · n=k\displaystyle n=k일 때 ak1+52\displaystyle a_k\ge\frac{1+\sqrt5}2라 가정함. +3점 · (ak+1)2=ak+11+52+1=(1+52)2\displaystyle (a_{k+1})^2=a_k+1\ge\frac{1+\sqrt5}2+1=\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)^2이 성립함을 보임. +1점 · ak+1\displaystyle a_{k+1}이 양수임을 지적하고 부등식 ak+11+52\displaystyle a_{k+1}\ge\frac{1+\sqrt5}2가 성립함을 주장함.

n=k\displaystyle n=k일 때 ak1+52\displaystyle a_k\ge\frac{1+\sqrt5}2라 가정하면(ak+1)2=ak+11+52+1=(1+52)2\displaystyle (a_{k+1})^2=a_k+1\ge\frac{1+\sqrt5}2+1=\left(\frac{1+\sqrt5}2\right)^2이 성립한다. ak+1\displaystyle a_{k+1}이 양수이므로 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 부등식 ak+11+52\displaystyle a_{k+1}\ge\frac{1+\sqrt5}2가 성립한다.따라서 수학적 귀납법에 의해서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 anβ\displaystyle a_n\ge\beta가 성립한다.

+2점 · 첫 항 b1=11+52\displaystyle b_1=1\le\frac{1+\sqrt5}2임을 보임.

(ii) 수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}의 첫 항 b1=11+52\displaystyle b_1=1\le\frac{1+\sqrt5}2이다.

+2점 · n=k\displaystyle n=k일 때 bk1+52\displaystyle b_k\le\frac{1+\sqrt5}2라 가정함. +3점 · bk+1=21bk+1211+52+1=1+52\displaystyle b_{k+1}=2-\frac1{b_k+1}\le2-\frac1{\frac{1+\sqrt5}2+1}=\frac{1+\sqrt5}2가 성립함을 보임.

n=k\displaystyle n=k일 때 bk1+52\displaystyle b_k\le\frac{1+\sqrt5}2라 가정하면bk+1=21bk+1211+52+1=223+5=1+52\displaystyle b_{k+1}=2-\frac1{b_k+1}\le2-\frac1{\frac{1+\sqrt5}2+1}=2-\frac2{3+\sqrt5}=\frac{1+\sqrt5}2가 되어 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 부등식 bk+11+52\displaystyle b_{k+1}\le\frac{1+\sqrt5}2가 성립한다.따라서 수학적 귀납법에 의해서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 bnβ\displaystyle b_n\le\beta가 성립한다.

1-(3) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 두 부등식 anan+1\displaystyle a_n\ge a_{n+1}bnbn+1\displaystyle b_n\le b_{n+1}이 각각 성립함을 보이시오.

[풀이]

+1점 · 문항 (1)의 결과를 인용하여 x1+52\displaystyle x\ge\frac{1+\sqrt5}2일 때 x2x+1\displaystyle x^2\ge x+1임을 이용함.

(i) 문항 (1)의 결과로부터 x1+52\displaystyle x\ge\frac{1+\sqrt5}2일 때 x2x+1\displaystyle x^2\ge x+1이다.

+1점 · 문항 (2)의 결과를 인용하여 an1+52\displaystyle a_n\ge\frac{1+\sqrt5}2임을 이용함. +2점 · (an+1)2=an+1(an)2\displaystyle (a_{n+1})^2=a_n+1\le(a_n)^2이 성립함을 보임. ※ 문항 (1), (2)의 결과 인용 없이 식을 주장하면 0점 부여 +1점 · an,an+1\displaystyle a_n,a_{n+1}이 양수이므로 an+1an\displaystyle a_{n+1}\le a_n이 성립함을 보임.

문항 (2)의 결과로부터 an1+52\displaystyle a_n\ge\frac{1+\sqrt5}2이므로(an+1)2=an+1(an)2\displaystyle (a_{n+1})^2=a_n+1\le(a_n)^2이 성립한다. an,an+1\displaystyle a_n,a_{n+1}이 양수이므로 an+1an\displaystyle a_{n+1}\le a_n이 성립한다.

+1점 · 문항 (1)의 결과를 인용하여 0x1+52\displaystyle 0\le x\le\frac{1+\sqrt5}2일 때 x+1x+12\displaystyle x+\frac1{x+1}\le2임을 이용함.

(ii) 문항 (1)의 결과로부터 0x1+52\displaystyle 0\le x\le\frac{1+\sqrt5}2일 때 x+1x+12\displaystyle x+\frac1{x+1}\le2이다.

+3점 · 문항 (2)의 결과 bn1+52\displaystyle b_n\le\frac{1+\sqrt5}2bn\displaystyle b_n이 양수임을 이용하여 bn+1bn+12\displaystyle b_n+\frac1{b_n+1}\le2임을 보임. +1점 · bn+1=21bn+1bn\displaystyle b_{n+1}=2-\frac1{b_n+1}\ge b_n이 성립함을 보임.

양수 bn\displaystyle b_n은 문항 (2)의 결과로부터 bn1+52\displaystyle b_n\le\frac{1+\sqrt5}2이므로 bn+1bn+12\displaystyle b_n+\frac1{b_n+1}\le2이다.따라서bn+1=21bn+1bn\displaystyle b_{n+1}=2-\frac1{b_n+1}\ge b_n이 성립한다.

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