수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

<논술 1> 다음 제시문을 읽고 지시에 따라 논술하시오.

(가) a\displaystyle a가 양의 실수이고 n\displaystyle n이 자연수라 하자. a\displaystyle a의 n\displaystyle n거듭제곱 an\displaystyle a^{n}은an=aa⋯a⏟n번\displaystyle a^n=\underbrace{aa\cdots a}_{n\text{번}}으로 정의한다. a\displaystyle a의 n\displaystyle n제곱근 an\displaystyle \sqrt[n]a는 방정식 xn=a\displaystyle x^n = a의 양의 실수해로 정의한다.

(나) a\displaystyle a가 양의 실수이고 r\displaystyle r이 양의 유리수라 하자. ar\displaystyle a^r은, r\displaystyle r이 두 자연수 m,n\displaystyle m, n이 있어서 r=nm\displaystyle r=\frac nm으로 표현될 때,ar=anm\displaystyle a^r=\sqrt[m]{a^n}으로 정의한다. 즉, xm=an\displaystyle x^{m} =a^{n}의 양의 실수해로 정의한다.

(다) a\displaystyle a가 양의 실수이고 x\displaystyle x가 양의 실수라 하자. ax\displaystyle a^{x}은, r1,r2,r3,⋯\displaystyle r_{1} , r_{2} , r_{3} , \cdots가 x\displaystyle x로 수렴하는 양의 유리수의 수열이라 할 때, 수열ar1,ar2,ar3,⋯\displaystyle a^{r_{1}} , a^{r_{2}} , a^{r_{3}} , \cdots이 수렴하는 실수로 정의한다.

(라) a\displaystyle a가 양의 실수이고 x,y\displaystyle x, y가 양의 실수이면ax+y=axay\displaystyle a^{x+y} = a^x a^y가 성립한다. 또한 x<y\displaystyle x<y이고 a>1\displaystyle a>1이면ax<ay\displaystyle a^{x} <a^{y}가 성립한다.

(1) 22\displaystyle 2^{\sqrt2}이 52\displaystyle \frac52보다 크고 3\displaystyle 3보다 작은 수라는 것을 설명하시오.

(2) a\displaystyle a가 양의 실수일 때 ax\displaystyle a^{x}를, x\displaystyle x가 음 또는 영일 때에도 정의하고, 자신이 제시한 정의에 대해 그 적절성을 설명하시오.

해설강의 준비중

(문항 1) 먼저 43<2<32\displaystyle \frac43<\sqrt2<\frac32임을 관찰하자. 이것은

(43)2=169<2=(2)2\displaystyle (\frac43)^{2=}\frac{16}9<2=(\sqrt2)^2, (32)2=94>2=(2)2\displaystyle (\frac32)^2=\frac94>2=(\sqrt2)^2Correction. 등호가 지수에 포함되어 인쇄되었다. 바른 식은 (4/3)2=16/9<2=(2)2\displaystyle (4/3)^2=16/9<2=(\sqrt2)^2이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

으로부터 알 수 있다. 따라서, 제시문 (라)에 의해

243<22<232\displaystyle 2^{\frac43}<2^{\sqrt2}<2^{\frac32}

을 얻는다.

이제 (243)3=(243)3=16\displaystyle (2^{\frac43})^3=(\sqrt[3]{2^4})^3=16이고 (52)3=1258<16\displaystyle (\frac52)^3=\frac{125}8<16이므로 52<243\displaystyle \frac52<2^{\frac43}이 성립하고,

(232)2=(23)2=8\displaystyle (2^{\frac32})^2=(\sqrt{2^3})^2=8이고 32=9>8\displaystyle 3^{2} =9>8이므로 232<3\displaystyle 2^{\frac32}<3이 성립한다.

그러므로, 52<243<22<232<3\displaystyle \frac52<2^{\frac43}<2^{\sqrt2}<2^{\frac32}<3이 성립하고 특히 52<22<3\displaystyle \frac52<2^{\sqrt2}<3이라는 결론에 도달한다.

(문항 2) x\displaystyle x가 음수이면 ax=1a−x\displaystyle a^x=\frac1{a^{-x}}로 정의하고, x=0\displaystyle x=0이면 a0=1\displaystyle a^{0} =1로 정의하자.

그러면, x\displaystyle x가 양수일 때, ax+(−x)=a0=1\displaystyle a^{x+(-x)}=a^0 = 1이고 axa−x=ax⋅1ax=1\displaystyle a^xa^{-x}=a^x\cdot\frac1{a^x}=1이므로 ax+(−x)=axa−x\displaystyle a^{x+(-x)} =a^{x} a^{-x}가 성립하게 된다.

일반적으로, x<0\displaystyle x<0, y<0\displaystyle y<0일 때,

ax+y=1a−(x+y)=1a(−x)+(−y)=1a−xa−y=1a−x⋅1a−y=axay\displaystyle a^{x+y}=\frac1{a^{-(x+y)}}=\frac1{a^{(-x)+(-y)}}=\frac1{a^{-x}a^{-y}}=\frac1{a^{-x}}\cdot\frac1{a^{-y}}=a^xa^y

이므로 ax+y=axay\displaystyle a^{x+y} = a^{x} a^{y}가 성립한다.

또한, x<0\displaystyle x<0, y>0\displaystyle y>0이고 x+y>0\displaystyle x+y>0일 때,

ax+y=1a−x⋅a−xax+y=axa(−x)+(x+y)=axay\displaystyle a^{x+y}=\frac1{a^{-x}}\cdot a^{-x}a^{x+y}=a^xa^{(-x)+(x+y)}=a^xa^y

이고, 이 사실을 이용하면 x<0\displaystyle x<0, y>0\displaystyle y>0이고 x+y<0\displaystyle x+y<0일 때,

ax+y=1a−(x+y)=1a−xa−y=1a−x⋅1a−y=axay\displaystyle a^{x+y}=\frac1{a^{-(x+y)}}=\frac1{a^{-x}a^{-y}}=\frac1{a^{-x}}\cdot\frac1{a^{-y}}=a^xa^y

이므로, x\displaystyle x와 y\displaystyle y가 영이 아닌 실수일 때, ax+y=axay\displaystyle a^{x+y} =a^{x} a^{y}가 성립함을 알 수 있다.

마지막으로 x\displaystyle x 혹은 y\displaystyle y가 영이라 하자. x=0\displaystyle x=0인 경우만 생각하면 충분하다.

a0+y=ay=1ay=a0ay\displaystyle a^{0+y} =a^{y} =1a^{y} =a^{0} a^{y}

이므로, 위에서와 같이 정의하면 ax+y=axay\displaystyle a^{x+y} =a^{x} a^{y}가 모든 실수 x,y\displaystyle x, y에 대해 성립함을 알 수 있다.

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