수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

1. 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 다항함수 P(x)=x2−4\displaystyle P(x)=x^2-4의 그래프 위의 점 Q0(3,P(3))\displaystyle Q_0(3,P(3))에서 그래프의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표를 a1\displaystyle a_1이라 하고, 점 Q1(a1,P(a1))\displaystyle Q_1(a_1,P(a_1))에서 그래프의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표를 a2\displaystyle a_2이라 하고, 점 Q2(a2,P(a2))\displaystyle Q_2(a_2,P(a_2))에서 그래프의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표를 a3\displaystyle a_3이라 하자. 이와 같은 방법으로, 자연수 n\displaystyle n에 대하여, an\displaystyle a_n이 주어졌을 때, 점 Qn(an,P(an))\displaystyle Q_n(a_n,P(a_n))에서 그래프의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표를 an+1\displaystyle a_{n+1}이라 하자.

(나) 열린구간 (a,b) (a<b)\displaystyle (a,b)\ (a<b)의 모든 원소 x\displaystyle x에서 P′(x)>0\displaystyle P^{\prime}(x)>0이 성립하는 다항함수 P(x)\displaystyle P(x)에 대하여, 원소 y,z∈(a,b)\displaystyle y,z\in(a,b)가 y<z\displaystyle y<z를 만족하면 P(y)<P(z)\displaystyle P(y)<P(z)가 성립한다.

(다) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여, an+1<an\displaystyle a_{n+1}<a_n이 성립하고, 실수 K\displaystyle K가 존재하여 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an>K\displaystyle a_n>K이 성립하면 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}은 수렴한다.

(라) 수렴하는 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}과 {bn}\displaystyle \{b_n\}에 대하여lim⁡n→∞(an+bn)=lim⁡n→∞an+lim⁡n→∞bn\displaystyle \lim_{n\to\infty}(a_n+b_n)=\lim_{n\to\infty}a_n+\lim_{n\to\infty}b_n이 성립하며, lim⁡n→∞an≠0\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n\ne0인 경우 lim⁡n→∞bnan=lim⁡n→∞bnlim⁡n→∞an\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{a_n}=\frac{\lim_{n\to\infty}b_n}{\lim_{n\to\infty}a_n}이 성립한다.

(1) a1\displaystyle a_1을 구하고, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an+1=an−P(an)P′(an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{P(a_n)}{P^{\prime}(a_n)}이 성립함에 관하여 논하시오.

(2) 수학적 귀납법에 의하여, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an>K\displaystyle a_n>K이 성립하는 실수 K\displaystyle K가 존재함에 관하여 논하고, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여, an+1<an\displaystyle a_{n+1}<a_n이 성립함에 관하여 논하시오.

(3) 열린구간 (0,3)\displaystyle (0,3)에서 P(x)=0\displaystyle P(x)=0의 해는 하나만 존재함을 보이고, lim⁡n→∞an=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=a라 할 때, 그 해가 a\displaystyle a임에 관하여 논하시오.

해설강의 준비중

(1) 점 Q0(3,P(3))\displaystyle Q_0(3,P(3))에서 그래프의 접선의 방정식은 y−P(3)=P′(3)(x−3)\displaystyle y-P(3)=P^{\prime}(3)(x-3)이므로 −5=6(a1−3)\displaystyle -5=6(a_1-3)이고 a1=136\displaystyle a_1=\frac{13}6점 Qn(an,P(an))\displaystyle Q_n(a_n,P(a_n))에서 그래프의 접선의 방정식은y−P(an)=P′(an)(x−an)\displaystyle y-P(a_n)=P^{\prime}(a_n)(x-a_n)이므로 −P(an)=P′(an)(an+1−an)\displaystyle -P(a_n)=P^{\prime}(a_n)(a_{n+1}-a_n)이고 an+1=an−P(an)P′(an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{P(a_n)}{P^{\prime}(a_n)}이다.

(2) an+1=an−P(an)P′(an)=an−an2−42an=12(an+4an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{P(a_n)}{P^{\prime}(a_n)}=a_n-\frac{a_n^2-4}{2a_n}=\frac12\left(a_n+\frac4{a_n}\right)이다.1) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an>2\displaystyle a_n>2임을 수학적 귀납법으로 보이자.(i) a1=136>2\displaystyle a_1=\frac{13}6>2가 성립한다.(ii) n=k\displaystyle n=k일 때 ak>2\displaystyle a_k>2가 성립한다고 가정하자.n=k+1\displaystyle n=k+1일 때, ak+1=12(ak+4ak)>12⋅2ak⋅4ak=2\displaystyle a_{k+1}=\frac12\left(a_k+\frac4{a_k}\right)>\frac12\cdot2\sqrt{a_k\cdot\frac4{a_k}}=2가 성립한다.따라서 수학적 귀납법에 의하여 an>2\displaystyle a_n>2이 성립한다.2) an+1=an−an2−42an\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{a_n^2-4}{2a_n}이고 an>2,an2>4\displaystyle a_n>2,a_n^2>4이므로 an+1<an\displaystyle a_{n+1}<a_n이 성립한다.

(3) P(0)=−4,P(3)=5\displaystyle P(0)=-4,P(3)=5이므로 중간값의 정리에 의하여 P(c)=0\displaystyle P(c)=0인 c∈(0,3)\displaystyle c\in(0,3)가 존재한다.그런데 P′(x)=2x\displaystyle P^{\prime}(x)=2x이므로 x∈(0,3)\displaystyle x\in(0,3)에 대하여 P′(x)>0\displaystyle P^{\prime}(x)>0이므로,제시문 (나)에 의하여 y,z∈[0,3] (y<z)\displaystyle y,z\in[0,3]\ (y<z)이면 P(y)<P(z)\displaystyle P(y)<P(z)이다. 그러므로 P(c)=0\displaystyle P(c)=0인 c∈(0,3)\displaystyle c\in(0,3)는 유일하다.(2)의 결과와 제시문 다)에 의하여 lim⁡n→∞an=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=a가 존재하며 2≤a<3\displaystyle 2\le a<3이 성립한다.제시문 (라)와 연속인 함수의 성질에 의하여,an+1=an−P(an)P′(an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{P(a_n)}{P^{\prime}(a_n)}에서 극한을 취하면, a=lim⁡n→∞an+1=lim⁡n→∞(an−P(an)P′(an))=a−P(a)P′(a)\displaystyle a=\lim_{n\to\infty}a_{n+1}=\lim_{n\to\infty}\left(a_n-\frac{P(a_n)}{P^{\prime}(a_n)}\right)=a-\frac{P(a)}{P^{\prime}(a)}가 성립한다.따라서 P(a)=0\displaystyle P(a)=0이다.

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