수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

<가> 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}과 {bn}\displaystyle \{b_n\}을 다음과 같이 귀납적으로 정의하고 각각의 극한값을 α,β\displaystyle \alpha,\beta라 하자.a1=4, 4an+1=3an+2(n=1,2,3,⋯ )\displaystyle a_1=4,\ 4a_{n+1}=3a_n+2\quad(n=1,2,3,\cdots)b1=0, b2=1, 2bn+2=3bn+1−bn(n=1,2,3,⋯ )\displaystyle b_1=0,\ b_2=1,\ 2b_{n+2}=3b_{n+1}-b_n\quad(n=1,2,3,\cdots)

<나> 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 f(x)=∣x−d∣\displaystyle f(x)=|x-d|로 정의하자. 단, d\displaystyle d는 실수인 상수이다.

<다> 위 <가>와 <나>의 α,β,f(x)\displaystyle \alpha,\beta,f(x)와 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)에 대한 다음 두 등식을 살펴보자.lim⁡n→∞P(f(an))−P(f(α))an−α=lim⁡n→∞P(f(bn))−P(f(β))bn−β\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{P(f(a_n))-P(f(\alpha))}{a_n-\alpha}=\lim_{n\to\infty}\frac{P(f(b_n))-P(f(\beta))}{b_n-\beta} ------ ①lim⁡n→∞f(P(an))−f(P(α))an−α=lim⁡n→∞f(P(bn))−f(P(β))bn−β\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{f(P(a_n))-f(P(\alpha))}{a_n-\alpha}=\lim_{n\to\infty}\frac{f(P(b_n))-f(P(\beta))}{b_n-\beta} ------ ②

1. 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 bn<bn+1<2<an+1<an\displaystyle b_n<b_{n+1}<2<a_{n+1}<a_n이 성립함을 설명하고 α,β\displaystyle \alpha,\beta를 구하시오.

2. 등식 ①이 모든 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)에 대하여 성립하게 하는 d\displaystyle d값의 집합을 구하시오.

3. 물음 2에서 구한 집합의 원소가 아닌 실수 d\displaystyle d에 대하여 등식 ①이 성립한다면, 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)는 어떤 조건을 만족하는지 설명하시오.

4. 등식 ②가 성립하지 않으려면 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)가 어떤 조건을 만족해야 되는지 설명하시오.

5. 등식 ②가 성립할 때 양변의 극한값은 무엇인가?

해설강의 준비중

1. an=2⋅(34)n−1+2\displaystyle a_n=2\cdot(\frac34)^{n-1}+2이고 bn=2−12n−2\displaystyle b_n=2-\frac1{2^{n-2}}이므로 bn<bn+1<⋯<2<⋯<an+1<an\displaystyle b_n<b_{n+1}<\cdots<2<\cdots<a_{n+1}<a_n이 성립하고 α=β=2\displaystyle \alpha=\beta=2이다.

2. d>2\displaystyle d>2인 경우: 개구간 (−∞,d)\displaystyle (-\infty,d)에서 P(f(x))\displaystyle P(f(x))는 다항함수이고 x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하다. an,bn\displaystyle a_n,b_n은 모두 d\displaystyle d보다 작은 2로 수렴하므로, 등식 ①의 우변과 좌변은 같고 그 극한값은 P(f(x))\displaystyle P(f(x))의 x=2\displaystyle x=2에서 미분계수이다.− d<2\displaystyle d<2인 경우: 개구간 (d,∞)\displaystyle (d,\infty)에서 P(f(x))\displaystyle P(f(x))는 다항함수이고 x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하다. an,bn\displaystyle a_n,b_n은 모두 d\displaystyle d보다 큰 2로 수렴하므로, 등식 ①의 우변과 좌변은 같고 그 극한값은 P(f(x))\displaystyle P(f(x))의 x=2\displaystyle x=2에서 미분계수이다.− d=2\displaystyle d=2인 경우: P(x)=x\displaystyle P(x)=x라 하면 등식 ①의 좌변은 −1, 우변은 1로 서로 다르므로, 등식 ①은 성립하지 않는다. 따라서 구하는 집합은 {d∈R∣d≠2}\displaystyle \{d\in R\mid d\ne2\}이다.Correction. 등식 ①의 좌변은 1\displaystyle 1, 우변은 −1\displaystyle -1이다. 원문은 두 값을 뒤바꾸어 썼으며, 두 극한이 다르다는 결론은 같다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

3. d=2\displaystyle d=2인 경우: P(f(x))−P(f(2))x−2=P(∣x−2∣)−P(0)x−2\displaystyle \frac{P(f(x))-P(f(2))}{x-2}=\frac{P(|x-2|)-P(0)}{x-2}이고 P(x)\displaystyle P(x)의 일차항의 계수 γ1≠0\displaystyle \gamma_1\ne0이면,극한 lim⁡x→+2γ1∣x−2∣x−2=γ1≠−γ1=lim⁡x→−2γ1∣x−2∣x−2\displaystyle \lim_{x\to+2}\frac{\gamma_1|x-2|}{x-2}=\gamma_1\ne-\gamma_1=\lim_{x\to-2}\frac{\gamma_1|x-2|}{x-2}이다.그리고 1보다 큰 자연수 k\displaystyle k에 대하여 극한 lim⁡x→2γk∣x−2∣kx−2\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{\gamma_k|x-2|^k}{x-2}는 존재하므로일차항의 계수가 0인 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)는 등식 ①의 양변의 극한이 존재하고 그 극한값은 같다.

4.(20점) P(2)−d=0\displaystyle P(2)-d=0인 경우: P(x)−d=(x−2)Q(x)\displaystyle P(x)-d=(x-2)Q(x) (Q(x)\displaystyle Q(x)는 다항식)이고, 이때lim⁡n→∞f(P(an))−f(P(2))an−2=lim⁡n→∞∣an−2∣⋅∣Q(an)∣an−2=∣Q(2)∣\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{f(P(a_n))-f(P(2))}{a_n-2}=\lim_{n\to\infty}\frac{|a_n-2|\cdot|Q(a_n)|}{a_n-2}=|Q(2)|이고lim⁡n→∞f(P(bn))−f(P(2))bn−2=lim⁡n→∞∣bn−2∣⋅∣Q(bn)∣bn−2=−∣Q(2)∣\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{f(P(b_n))-f(P(2))}{b_n-2}=\lim_{n\to\infty}\frac{|b_n-2|\cdot|Q(b_n)|}{b_n-2}=-|Q(2)|이다.− P(2)−d≠0\displaystyle P(2)-d\ne0인 경우: lim⁡x→2∣P(x)−d∣−∣P(2)−d∣x−2=lim⁡x→2(P(x)−d)2−(P(2)−d)2(x−2)(∣P(x)−d∣+∣P(2)−d∣)\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{|P(x)-d|-|P(2)-d|}{x-2}=\lim_{x\to2}\frac{(P(x)-d)^2-(P(2)-d)^2}{(x-2)(|P(x)-d|+|P(2)-d|)}=lim⁡x→2(P(x)−d)−(P(2)−d)(x−2)⋅(P(x)−d)+(P(2)−d)(∣P(x)−d∣+∣P(2)−d∣)=P′(2)P(2)−d∣P(2)−d∣\displaystyle =\lim_{x\to2}\frac{(P(x)-d)-(P(2)-d)}{(x-2)}\cdot\frac{(P(x)-d)+(P(2)-d)}{(|P(x)-d|+|P(2)-d|)}=P'(2)\frac{P(2)-d}{|P(2)-d|}따라서, P(2)−d=0\displaystyle P(2)-d=0인 경우 P(x)−d=(x−2)Q(x)\displaystyle P(x)-d=(x-2)Q(x) (Q(x)\displaystyle Q(x)는 다항식)이고 Q(2)≠0\displaystyle Q(2)\ne0이면,등식 ②의 등호는 성립하지 않는다.

5. P(2)−d=0\displaystyle P(2)-d=0인 경우: P(x)−d=(x−2)Q(x)\displaystyle P(x)-d=(x-2)Q(x) (Q(x)\displaystyle Q(x)는 다항식)이고Q(2)=0\displaystyle Q(2)=0이면, 문항 4의 풀이에 의해, 등식 ②의 양변의 극한값은 0이다.− P(2)−d>0\displaystyle P(2)-d>0인 경우: 문항 4의 풀이에 의해, 등식 ②의 양변의 극한값은 P′(2)\displaystyle P'(2)이다.− P(2)−d<0\displaystyle P(2)-d<0인 경우: 문항 4의 풀이에 의해, 등식 ②의 양변의 극한값은 −P′(2)\displaystyle -P'(2)이다.

다음 경우는 0점 처리됩니다.1) 답안지를 검정색 펜(볼펜, 연필, 샤프)으로 작성하지 않은 경우2) 자신의 신원을 드러내는 표기나 표현을 한 경우3) 답안을 해당 답란에 작성하지 않은 경우

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