수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] [35점]

(1) 실수 a\displaystyle a에 대하여 부등식 ex−ea≥ea(x−a)\displaystyle e^{x}-e^{a}\ge e^{a}(x-a)가 성립함을 보이시오.

(2) 실수 a\displaystyle a에 대하여 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (a,ea)\displaystyle (a,e^{a})에서의 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 만나는 점을 (b,1)\displaystyle (b,1)이라 할 때, eb≥1\displaystyle e^{b}\ge1임을 보이시오.

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

(ⅰ) an≥0\displaystyle a_{n}\ge0 (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)(ⅱ) an≥an+1\displaystyle a_{n}\ge a_{n+1} (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)

수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}이 다음 규칙에 따라 정해질 때, 위의 조건 (ⅰ), (ⅱ)를 만족함을 보임으로써 수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}이 수렴함을 보이시오.

(ㄱ) x1=2022\displaystyle x_{1}=2022(ㄴ) 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (xn,exn)\displaystyle (x_{n},e^{x_{n}})에서의 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표가 xn+1\displaystyle x_{n+1}이다. (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)

해설강의 준비중

(1) 실수 a\displaystyle a에 대하여 부등식 ex−ea≥ea(x−a)\displaystyle e^{x}-e^{a}\ge e^{a}(x-a)가 성립함을 보이시오.풀이: 함수 f(x)=ex−ea−ea(x−a)\displaystyle f(x)=e^{x}-e^{a}-e^{a}(x-a)의 도함수 f′(x)=ex−ea\displaystyle f^{\prime}(x)=e^{x}-e^{a}는 x<a\displaystyle x<a일 때 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이고, x>a\displaystyle x>a일 때 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이며, f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 최솟값 f(a)=0\displaystyle f(a)=0을 갖는다. 따라서 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이다. 즉 ex−ea≥ea(x−a)\displaystyle e^{x}-e^{a}\ge e^{a}(x-a)가 성립한다.

(2) 실수 a\displaystyle a에 대하여 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (a,ea)\displaystyle (a,e^{a})에서의 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 만나는 점을 (b,1)\displaystyle (b,1)이라 할 때, eb≥1\displaystyle e^{b}\ge1임을 보이시오.풀이: x=a\displaystyle x=a에서 함수 f(x)=ex\displaystyle f(x)=e^{x}의 미분계수가 ea\displaystyle e^{a}이므로, 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (a,ea)\displaystyle (a,e^{a})에서의 접선의 방정식은 y−ea=ea(x−a)\displaystyle y-e^{a}=e^{a}(x-a)이다. 이 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 만나는 점이 (b,1)\displaystyle (b,1)이므로 1−ea=ea(b−a)\displaystyle 1-e^{a}=e^{a}(b-a)가 성립한다.문항 (1)의 결과로부터 ea(b−a)≤eb−ea\displaystyle e^{a}(b-a)\le e^{b}-e^{a}이 성립하므로 1−ea≤eb−ea\displaystyle 1-e^{a}\le e^{b}-e^{a}를 얻는다. 따라서 eb≥1\displaystyle e^{b}\ge1이 성립한다.

(3) 수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}이 다음 규칙에 따라 정해질 때, 위의 조건 (i), (ii)를 만족함을 보임으로써 수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}이 수렴함을 보이시오.(ㄱ) x1=2022\displaystyle x_{1}=2022(ㄴ) 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (xn,exn)\displaystyle (x_{n},e^{x_{n}})에서의 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표가 xn+1\displaystyle x_{n+1}이다. (단, n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)

풀이:(i) 우선 x1=2022≥0\displaystyle x_{1}=2022\ge0이다.곡선 y=ex\displaystyle y=e^{x} 위의 점 (xn,exn)\displaystyle (x_{n},e^{x_{n}})에서의 접선이 직선 y=1\displaystyle y=1과 점 (xn+1,1)\displaystyle (x_{n+1},1)에서 만나므로 문항 (2)의 결과로부터 exn+1≥1\displaystyle e^{x_{n+1}}\ge1이 성립한다. 즉 xn+1≥0\displaystyle x_{n+1}\ge0이다. 따라서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 xn≥0\displaystyle x_{n}\ge0이 성립한다.(ii) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 xn≥0\displaystyle x_{n}\ge0이 성립하므로 exn≥1\displaystyle e^{x_{n}}\ge1이 된다. 한편 xn+1\displaystyle x_{n+1}은 식1−exn=exn(xn+1−xn)\displaystyle 1-e^{x_{n}}=e^{x_{n}}(x_{n+1}-x_{n})을 만족하므로 xn+1≤xn\displaystyle x_{n+1}\le x_{n}이 성립한다.수열 {xn}\displaystyle \{x_{n}\}이 위의 조건 (i), (ii)를 만족하므로 수렴한다.

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