수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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[2-1 풀이]f(x)=x2+ax+2\displaystyle f(x)=x^2+ax+2라 하면, 로그의 진수의 조건에 의하여 f(x)>0 (x0)\displaystyle f(x)>0\ (x\ge0)이 성립해야 한다.f(x)=(x+a2)2a24+2\displaystyle f(x)=\left(x+\frac a2\right)^2-\frac{a^2}4+2에서 a0\displaystyle a\ge0, a<0\displaystyle a<0인 두 가지 경우를 생각할 수 있다.

(1) a0\displaystyle a\ge0:x=0\displaystyle x=0에서 f(x)\displaystyle f(x)는 최솟값 f(0)=2\displaystyle f(0)=2을 가지므로 n=0\displaystyle n=0에 대하여 방정식 f(0)=20\displaystyle f(0)=2^0, 즉 h(x)=0\displaystyle h(x)=0을 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근 x\displaystyle x는 존재하지 않는다.✓ 또한 f(x)\displaystyle f(x)x0\displaystyle x\ge0 영역에서 연속이고 증가함수이므로 h(x)=log2(x2+ax+2)\displaystyle h(x)=\log_2(x^2+ax+2)도 연속이고 증가함수이다.따라서 자연수 n\displaystyle n에 대하여 x2+ax+2=2n\displaystyle x^2+ax+2=2^n, 즉 log2(x2+ax+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+ax+2)=n를 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근 x\displaystyle x의 개수가 하나뿐이다.그러므로 a0\displaystyle a\ge0일 경우, x0\displaystyle x\ge0에 대하여 log2(x2+ax+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+ax+2)=n을 만족하는 실근의 개수가 2개 이상이 되는 음이 아닌 정수 n\displaystyle n은 존재하지 않는다.

(2) a<0\displaystyle a<0:f(x)=(x+a2)2a24+2\displaystyle f(x)=\left(x+\frac a2\right)^2-\frac{a^2}4+2으로부터 x=a2>0\displaystyle x=-\frac a2>0에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 a24+2\displaystyle -\frac{a^2}4+2이다.따라서 로그의 진수의 조건에 의하여, a24+2>0\displaystyle -\frac{a^2}4+2>0이 성립하여야 하고 이때 a\displaystyle a의 범위는 다음과 같다.22<a<0\displaystyle -2\sqrt2<a<0한편 f(0)=2\displaystyle f(0)=2이고 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값이 a24+2<2\displaystyle -\frac{a^2}4+2<2이므로 다음 두 가지 경우를 생각할 수 있다.2a<0\displaystyle -2\le a<0:1a24+2<2\displaystyle 1\le-\frac{a^2}4+2<2이므로 log2(x2+ax+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+ax+2)=n을 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근 x\displaystyle x의 개수가 2개 이상이 되는 음이 아닌 정수 n\displaystyle n은 1뿐이다.22<a<2\displaystyle -2\sqrt2<a<-2:0<a24+2<1\displaystyle 0<-\frac{a^2}4+2<1이므로 log2(x2+ax+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+ax+2)=n을 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근 x\displaystyle x의 개수가 2개 이상이 되는 음이 아닌 정수 n\displaystyle n은 0과 1이다.

따라서 log2(x2+ax+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+ax+2)=n을 만족하는 음이 아닌 실근 x\displaystyle x의 개수가 2개 이상이 되는 상수 a\displaystyle a의 범위는 22<a<0\displaystyle -2\sqrt2<a<0이고 이때 가능한 음이 아닌 정수 n\displaystyle n은 0, 1이다.

[2-2 풀이]자연수 n\displaystyle n에 대하여 log2(x2+2x+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+2x+2)=n을 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근 xn\displaystyle x_n은 다음과 같다.xn=1+2n1\displaystyle x_n=-1+\sqrt{2^n-1}

x\displaystyle x에 관한 함수 h(x)=log2(x2+2x+2)\displaystyle h(x)=\log_2(x^2+2x+2)는 구간 [xn,xn+1)\displaystyle [x_n,x_{n+1})에서nlog2(x2+2x+2)<n+1\displaystyle n\le\log_2(x^2+2x+2)<n+1이므로 구간 [xn,xn+1)\displaystyle [x_n,x_{n+1})에서 q(x)\displaystyle q(x)는 다음과 같다.q(x)=log2(x2+2x+2)n\displaystyle q(x)=\log_2(x^2+2x+2)-n

[2-3 풀이]문제 2-2로부터 자연수 n\displaystyle n에 대하여 log2(x2+2x+2)=n\displaystyle \log_2(x^2+2x+2)=n을 만족하는 x0\displaystyle x\ge0인 실근은 xn=1+2n1\displaystyle x_n=-1+\sqrt{2^n-1}이고 구간 [xn,xn+1)\displaystyle [x_n,x_{n+1})에서 q(x)=log2(x2+2x+2)n\displaystyle q(x)=\log_2(x^2+2x+2)-n이다.

한편(x+1)log2(x2+2x+2)dx=12ln2[(x2+2x+2)ln(x2+2x+2)(x2+2x+2)]+C\displaystyle \int(x+1)\log_2(x^2+2x+2)dx=\frac1{2\ln2}\left[(x^2+2x+2)\ln(x^2+2x+2)-(x^2+2x+2)\right]+C이므로 In=xnxn+1(x+1)q(x)dx\displaystyle I_n=\int_{x_n}^{x_{n+1}}(x+1)q(x)dx라 두면,In=12[(x2+2x+2)log2(x2+2x+2)1ln2(x2+2x+2)]xnxn+1n[x22+x]xnxn+1=12[((n+1)2n+11ln22n+1)(n2n1ln22n)]n[(2n1)(2n11)]=(n+2)2n11ln22n1n2n1=(21ln2)2n1\displaystyle \begin{aligned}I_n&=\frac12\Biggl[(x^2+2x+2)\log_2(x^2+2x+2)-\frac1{\ln2}(x^2+2x+2)\Biggr]_{x_n}^{x_{n+1}}-n\Biggl[\frac{x^2}2+x\Biggr]_{x_n}^{x_{n+1}}\\&=\frac12\left[\left((n+1)2^{n+1}-\frac1{\ln2}2^{n+1}\right)-\left(n2^n-\frac1{\ln2}2^n\right)\right]-n\left[(2^n-1)-(2^{n-1}-1)\right]\\&=(n+2)2^{n-1}-\frac1{\ln2}2^{n-1}-n2^{n-1}\\&=\left(2-\frac1{\ln2}\right)2^{n-1}\end{aligned}따라서01271(x+1)q(x)dx=n=16In=(21ln2)n=162n1=63(21ln2)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\sqrt{127}-1}(x+1)q(x)dx&=\sum_{n=1}^6I_n\\&=\left(2-\frac1{\ln2}\right)\sum_{n=1}^62^{n-1}=63\left(2-\frac1{\ln2}\right)\end{aligned}

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