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자연계열 1번

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문제

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1번 문항 · 접선을 이해하고 있는가?

문항 1-1) c=0\displaystyle c=0 즉 점 (0, 1)\displaystyle (0,\ 1)에서 접선방정식을 구하면1+xex.\displaystyle 1+x\le e^{x}.또는 ex1x\displaystyle e^{x-1}\ge x 에서 x\displaystyle x 대신에 x+1\displaystyle x+1을 대입하면1+xex.\displaystyle 1+x\le e^{x}.

1번 문항 · 정적분을 기하학적으로 잘 이해하고 있는가?

문항 1-2) x=a\displaystyle x=a에서 x=b\displaystyle x=b까지 y=ex\displaystyle y=e^{x}로 둘러싸인 도형의 넓이는 밑변 (ba)\displaystyle (b-a)와 점 (a, ea)\displaystyle (a,\ e^{a}), 점 (b, eb)\displaystyle (b,\ e^{b})을 잇는 직선으로 둘러싸인 사다리꼴의 넓이보다 작다. 즉abexdx=ebea<(ba)ea+eb2\displaystyle \int_{a}^{b}e^{x}dx=e^{b}-e^{a}<(b-a)\frac{e^{a}+e^{b}}{2}ebeaba<ea+eb2.\displaystyle \frac{e^{b}-e^{a}}{b-a}<\frac{e^{a}+e^{b}}{2}.

1번 문항 · 어려운 정적분을 기본적인 부등식을 통한 정적분의 근사치의 상하한을 구할 수 있는가?

문항 1-3) ab1+e2xdx\displaystyle \int_{a}^{b}\sqrt{1+e^{2x}}\,dx의 상하한을 구하기 위하여 피적분함수 1+e2x\displaystyle \sqrt{1+e^{2x}} 의 상하한을 먼저 구한다.1+xex\displaystyle 1+x\le e^{x} 를 이용하면 2+2x1+e2x\displaystyle \sqrt{2+2x}\le\sqrt{1+e^{2x}}이며, a1a2a1+a22\displaystyle \sqrt{a_{1}a_{2}}\le\frac{a_{1}+a_{2}}{2} 을 이용하면 1+e2x12+1+e2x2=1+e2x2\displaystyle \sqrt{1+e^{2x}}\le\frac{1}{2}+\frac{1+e^{2x}}{2}=1+\frac{e^{2x}}{2} 이다. 따라서2ab1+xdxab1+e2xdxab(1+e2x2)dx\displaystyle \sqrt{2}\int_{a}^{b}\sqrt{1+x}\,dx\le\int_{a}^{b}\sqrt{1+e^{2x}}\,dx\le\int_{a}^{b}\left(1+\frac{e^{2x}}{2}\right)dx223[(1+b)3/2(1+a)3/2]ab1+e2xdxba+e2be2a4.\displaystyle \frac{2\sqrt{2}}{3}\left[(1+b)^{3/2}-(1+a)^{3/2}\right]\le\int_{a}^{b}\sqrt{1+e^{2x}}\,dx\le b-a+\frac{e^{2b}-e^{2a}}{4}.

2번 문항 · xex1\displaystyle x\le e^{x-1}를 이용하여 일반적인 산술평균기하평균을 유도할 수 있는가?

문항 2) 모든 k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n에 대하여 akM1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}\ne1 (akM\displaystyle a_{k}\ne M)이면 akM<eakM1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}<e^{\frac{a_{k}}{M}-1}, akM=1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}=1이면 akM=e0=1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}=e^{0}=1 이므로 akMeakM1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}\le e^{\frac{a_{k}}{M}-1}이 성립한다. 따라서 모든 k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n에 대해 akM\displaystyle a_{k}\ne M 라면a1a2anMn<ea1+a2++anMn=1\displaystyle \frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{n}}{M^{n}}<e^{\frac{a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n}}{M}-n}=1 (⋆)

2번 문항 · 등호가 성립하는 경우는 언제인가?

(⋆)식에서 부등식(<\displaystyle <)이 등호(=\displaystyle =)가 성립하는 경우는 모든 k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n에 대해 ak=M\displaystyle a_{k}=M 일 때 (⋆)식으로부터 즉a1a2anMn=ea1+a2++anMn=1\displaystyle \frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{n}}{M^{n}}=e^{\frac{a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n}}{M}-n}=1또는 akMeakM1\displaystyle \frac{a_{k}}{M}\le e^{\frac{a_{k}}{M}-1}k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n에 대하여 n\displaystyle n번 연속적으로 사용하고 그 부등식들을 각각 변변 곱하면 다음 부등식이 된다.a1a2anMnea1M1ea2M1eanM1=e0e0e0=1\displaystyle \frac{a_{1}a_{2}\cdots a_{n}}{M^{n}}\le e^{\frac{a_{1}}{M}-1}e^{\frac{a_{2}}{M}-1}\cdots e^{\frac{a_{n}}{M}-1}=e^{0}e^{0}\cdots e^{0}=1 (⋆⋆)Comment. 각 지수가 모두 0\displaystyle 0인 것은 아니다. 지수의 합이 0\displaystyle 0이므로 곱이 1\displaystyle 1이 된다.(a1a2an)1na1+a2++ann\displaystyle (a_{1}a_{2}\cdots a_{n})^{\frac{1}{n}}\le\frac{a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n}}{n}(⋆⋆)식으로부터 등호는 모든 k=1,2,,n\displaystyle k=1,2,\cdots,n 대하여 ak=M\displaystyle a_{k}=Ma1=a2==an\displaystyle a_{1}=a_{2}=\cdots=a_{n} 일 때 성립한다.

3번 문항 · 삼각함수를 잘 이해하고 있는가?

문항 3) tanC=tan(π(A+B))=tan(A+B)=tanA+tanB1tanAtanB\displaystyle \tan C=\tan(\pi-(A+B))=-\tan(A+B)=-\frac{\tan A+\tan B}{1-\tan A\tan B} 이므로 다음 식이 된다.tanA+tanB+tanC=tanAtanBtanC.\displaystyle \tan A+\tan B+\tan C=\tan A\,\tan B\,\tan C. (#)

3번 문항 · 2번 문항에서 구한 산술평균과 기하평균을 이해하여 최솟값을 구할 수 있는가?

예각이므로 tanA\displaystyle \tan A, tanB\displaystyle \tan B, tanC\displaystyle \tan C는 양수이다. (a1a2a3)13a1+a2+a33\displaystyle (a_{1}a_{2}a_{3})^{\frac{1}{3}}\le\frac{a_{1}+a_{2}+a_{3}}{3} 을 이용하면tanA+tanB+tanC3=tanAtanBtanC3(tanAtanBtanC)1/3\displaystyle \frac{\tan A+\tan B+\tan C}{3}=\frac{\tan A\,\tan B\,\tan C}{3}\ge(\tan A\,\tan B\,\tan C)^{1/3} (##)tanAtanBtanC27=33.\displaystyle \tan A\,\tan B\,\tan C\ge\sqrt{27}=3\sqrt{3}.(#)식으로부터 tanA+tanB+tanC33\displaystyle \tan A+\tan B+\tan C\ge3\sqrt{3} 등호는 tanA=tanB=tanC\displaystyle \tan A=\tan B=\tan C (A=B=C=π3)\displaystyle \left(A=B=C=\frac{\pi}{3}\right) 일 때 즉, 정삼각형일 때 tanA+tanB+tanC\displaystyle \tan A+\tan B+\tan C 는 최소값 33\displaystyle 3\sqrt{3}를 갖는다.위식 (##)에서 (tanA+tanB+tanC)3{tanA+tanB+tanC}1/3\displaystyle \frac{(\tan A+\tan B+\tan C)}{3}\ge\{\tan A+\tan B+\tan C\}^{1/3}, 즉 tanA+tanB+tanC33\displaystyle \tan A+\tan B+\tan C\ge3\sqrt{3} 을 얻는다.

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