수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

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문제

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1. 답안 1) (32.5)2=35=243\displaystyle \left(3^{2.5}\right)^{2}=3^{5}=243, (2.53)2=2.56=5626>244\displaystyle \left(2.5^{3}\right)^{2}=2.5^{6}=\frac{5^{6}}{2^{6}}>244 ∴ 32.5<2.53\displaystyle 3^{2.5}<2.5^{3}

답안 2) y=2.5332.5\displaystyle y=\frac{2.5^{3}}{3^{2.5}} logy=3log2.52.5log3=3(12log2)2.5log3=36log22.5log3\displaystyle \log y=3\log 2.5-2.5\log 3=3(1-2\log 2)-2.5\log 3=3-6\log 2-2.5\log 3log2<0.3011\displaystyle \log 2<0.3011, log3<0.4772\displaystyle \log 3<0.4772 이므로,logy>36×0.30112.5×0.4772=0.0004>0\displaystyle \log y>3-6\times 0.3011-2.5\times 0.4772=0.0004>0 이므로 y>1\displaystyle y>132.5<2.53\displaystyle 3^{2.5}<2.5^{3}

2. 답안1) log를 활용한 풀이y=2.4332.4\displaystyle y=\frac{2.4^{3}}{3^{2.4}} logy=3log2.42.4log3=0.6log3+9log23\displaystyle \log y=3\log 2.4-2.4\log 3=0.6\log 3+9\log 2-3log2<0.3011\displaystyle \log 2<0.3011, log3<0.4772\displaystyle \log 3<0.4772 이므로,0.6log3+9log2<(0.6)(0.4772)+9(0.3011)=0.28632+2.7099=2.99622<3\displaystyle 0.6\log 3+9\log 2<(0.6)(0.4772)+9(0.3011)=0.28632+2.7099=2.99622<3logy<0\displaystyle \log y<0, y<1\displaystyle y<1 이므로 32.4>2.43\displaystyle 3^{2.4}>2.4^{3}

답안2) 거듭제곱을 직접 계산(2.4332.4)5=2.415312=504857.3531441<1\displaystyle \left(\frac{2.4^{3}}{3^{2.4}}\right)^{5}=\frac{2.4^{15}}{3^{12}}=\frac{504857.3\cdots}{531441}<1 ∴ 32.4>2.43\displaystyle 3^{2.4}>2.4^{3}

3. f(x)=x1x\displaystyle f(x)=x^{\frac{1}{x}} lnf(x)=1xlnx\displaystyle \ln f(x)=\frac{1}{x}\ln x양변을 x\displaystyle x에 대해 미분하면, f(x)f(x)=1xx(lnx)1x2=1lnxx2\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\frac{\frac{1}{x}\cdot x-(\ln x)\cdot 1}{x^{2}}=\frac{1-\ln x}{x^{2}}, f(x)=x1x(1lnxx2)\displaystyle f^{\prime}(x)=x^{\frac{1}{x}}\left(\frac{1-\ln x}{x^{2}}\right)x>0\displaystyle x>0 이므로 x1xx2>0\displaystyle \frac{x^{\frac{1}{x}}}{x^{2}}>00<x<e\displaystyle 0<x<e 이면 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0 이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가하고, x>e\displaystyle x>e 이면 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0 이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소한다.

4. e<3<π\displaystyle e<3<\pi이므로 물음 3의 결론을 이용하면, f(3)>f(π)\displaystyle f(3)>f(\pi), 즉 313>π1π\displaystyle 3^{\frac{1}{3}}>\pi^{\frac{1}{\pi}}, (313)3π>(π1π)3π\displaystyle \left(3^{\frac{1}{3}}\right)^{3\pi}>\left(\pi^{\frac{1}{\pi}}\right)^{3\pi}3π>π3\displaystyle 3^{\pi}>\pi^{3}

5. f(x)=x1x\displaystyle f(x)=x^{\frac{1}{x}}, lnf(x)=lnxx\displaystyle \ln f(x)=\frac{\ln x}{x} limx0+lnxx=\displaystyle \lim_{x\to 0^{+}}\frac{\ln x}{x}=-\infty 이므로 limx0+f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to 0^{+}}f(x)=0 이다. limxlnxx=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln x}{x}=0 이므로 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1 이다.이를 물음 3에서 조사된 f(x)\displaystyle f(x)의 증감에 적용시켜 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프 개형을 그려보면 아래와 같다.

y = x^(1/x)의 그래프 개형. 원점 근처에서 0에 가깝고 x = e에서 최대가 된 뒤 감소하며 y = 1에 수렴한다. x = 1에서 y = 1을 지난다.

b1b=a1a\displaystyle b^{\frac{1}{b}}=a^{\frac{1}{a}} 이면 (b1b)ab=(a1a)ab\displaystyle \left(b^{\frac{1}{b}}\right)^{ab}=\left(a^{\frac{1}{a}}\right)^{ab}, ba=ab\displaystyle b^{a}=a^{b} 이다.따라서, ax=xa\displaystyle a^{x}=x^{a} 에 대해 xa\displaystyle x\ne a인 양의 실수 x\displaystyle x는,0<a1\displaystyle 0<a\le 1 또는 a=e\displaystyle a=e 일 때는 존재하지 않고, 1<a<e\displaystyle 1<a<e 또는 a>e\displaystyle a>e 이면 1개 존재한다.

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