수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후1) 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 다항식 pn(x)\displaystyle p_n(x)가 다음과 같이 주어져 있다.

pn(x)=1+x+x22!+⋯+xnn!\displaystyle p_n(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\cdots+\frac{x^n}{n!}

예를 들면, n=1,2,3\displaystyle n=1,2,3일 때 아래와 같이 다항식을 쓸 수 있다.

p1(x)=1+xp2(x)=1+x+x22p3(x)=1+x+x22+x36\displaystyle \begin{aligned}p_1(x)&=1+x\\p_2(x)&=1+x+\frac{x^2}2\\p_3(x)&=1+x+\frac{x^2}2+\frac{x^3}6\end{aligned}

1. 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 부등식 1+t>(1−t22)et\displaystyle 1+t>\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t이 성립하는 t\displaystyle t의 범위를 구하시오.

2. p2n−1(0)\displaystyle p_{2n-1}(0)과 p2n−1(−2n)\displaystyle p_{2n-1}(-2n)의 크기를 비교하시오.

3. 방정식 p2n(x)=0\displaystyle p_{2n}(x)=0의 실근이 존재하지 않음을 설명하시오.

해설강의 준비중
+15점 · f(t)=(1+t)−(1−t22)et\displaystyle f(t)=(1+t)-\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t의 미분을 구하고, g(t)=1−(1−t)et\displaystyle g(t)=1-(1-t)e^t와의 크기를 비교했는가?

1. 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(t)=(1+t)−(1−t22)et\displaystyle f(t)=(1+t)-\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t이라 하자. 양변을 t\displaystyle t에 대하여 미분하면, f′(t)=1−(−t+1−t22)et>1−(1−t)et=g(t)\displaystyle f^{\prime}(t)=1-\left(-t+1-\frac{t^2}2\right)e^t>1-(1-t)e^t=g(t)를 얻는다.

+15점 · g(t)\displaystyle g(t)는 증가함수임을 보이고, f(t)>0\displaystyle f(t)>0임을 보였는가?

임의의 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 g′(t)=et−(1−t)et=tet>0,\displaystyle g^{\prime}(t)=e^t-(1-t)e^t=te^t>0,⇒ g(t)\displaystyle g(t)는 증가함수이고, g(0)=1−(1−0)e0=0\displaystyle g(0)=1-(1-0)e^0=0이다.⇒ 임의의 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 g(t)>g(0)=0\displaystyle g(t)>g(0)=0⇒ f′(t)>g(t)=1−(1−t)et>g(0)=0\displaystyle f^{\prime}(t)>g(t)=1-(1-t)e^t>g(0)=0⇒ f(t)\displaystyle f(t)는 증가함수이고, f(0)=1−(1−0)e0=0\displaystyle f(0)=1-(1-0)e^0=0이다.⇒ 임의의 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(t)>0\displaystyle f(t)>0이와 같이 모든 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 1+t>(1−t22)et\displaystyle 1+t>\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t이므로, 부등식을 만족하는 t\displaystyle t의 범위는 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)이다.

[별해1] f′(t)=1−(−t+1−t22)et\displaystyle f^{\prime}(t)=1-\left(-t+1-\frac{t^2}2\right)e^t이고, f′′(t)=(t22+2t)et>0\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=\left(\frac{t^2}2+2t\right)e^t>0이다.양의 실수범위에서 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)는 증가함수이므로, 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 f′(t)>f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(t)>f^{\prime}(0)=0이 성립한다.따라서 양의 실수범위에서 f(t)\displaystyle f(t)도 역시 증가함수이고, 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(t)>f(0)=0\displaystyle f(t)>f(0)=0이 성립한다.1+t>(1−t22)et\displaystyle 1+t>\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t이 성립한다.

[별해2] f(t)=(1−t22)et, g(t)=1+t\displaystyle f(t)=\left(1-\frac{t^2}2\right)e^t,\ g(t)=1+t라 하자.f′(t)=−12(t2+2t−2)et\displaystyle f^{\prime}(t)=-\frac12(t^2+2t-2)e^t이고, f′(t)=0 ⇔ t=−1±3\displaystyle f^{\prime}(t)=0\ \Leftrightarrow\ t=-1\pm\sqrt3이다.f′′(t)=−12(t2+4t)et\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=-\frac12(t^2+4t)e^t이고, f′′(t)=0 ⇔ t=0,−4\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=0\ \Leftrightarrow\ t=0,-4이다(변곡점은 t=0,4\displaystyle t=0,4에서 나타난다).Correction. 변곡점의 위치 t=0,4\displaystyle t=0,4는 t=0,−4\displaystyle t=0,-4의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.t=0\displaystyle t=0일 때, (0,1)\displaystyle (0,1)에서의 접선의 방정식은 y=1+f′(0)t=1+t\displaystyle y=1+f^{\prime}(0)t=1+t이므로,양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 g(t)>f(t)\displaystyle g(t)>f(t)이 성립한다.

+5점 · p2n−1(0)\displaystyle p_{2n-1}(0)의 값을 구했는가?

2. 다항식 p2n−1(x)\displaystyle p_{2n-1}(x)에 x=0\displaystyle x=0을 대입하면, p2n−1(0)=1>0\displaystyle p_{2n-1}(0)=1>0 -------------- ㉠

+25점 · p2n−1(−2n)\displaystyle p_{2n-1}(-2n)의 값과 0과의 크기를 비교를 제대로 했는가?

다항식 p2n−1(x)\displaystyle p_{2n-1}(x)에 x=−2n\displaystyle x=-2n을 대입하여 p2n−1(−2n)\displaystyle p_{2n-1}(-2n)을 다음과 같이 표현할 수 있다.p2n−1(−2n)=∑k=02n−1(−2n)kk!=[1+(−2n)]+[(−2n)22!+(−2n)33!]+⋯+[(−2n)2k−2(2k−2)!+(−2n)2k−1(2k−1)!]+⋯+[(−2n)2n−2(2n−2)!+(−2n)2n−1(2n−1)!]=∑k=1n[(−2n)2k−2(2k−2)!+(−2n)2k−1(2k−1)!]\displaystyle \begin{aligned}p_{2n-1}(-2n)&=\sum_{k=0}^{2n-1}\frac{(-2n)^k}{k!}=[1+(-2n)]+\left[\frac{(-2n)^2}{2!}+\frac{(-2n)^3}{3!}\right]\\&\quad+\cdots+\left[\frac{(-2n)^{2k-2}}{(2k-2)!}+\frac{(-2n)^{2k-1}}{(2k-1)!}\right]+\cdots+\left[\frac{(-2n)^{2n-2}}{(2n-2)!}+\frac{(-2n)^{2n-1}}{(2n-1)!}\right]\\&=\sum_{k=1}^n\left[\frac{(-2n)^{2k-2}}{(2k-2)!}+\frac{(-2n)^{2k-1}}{(2k-1)!}\right]\end{aligned}임의의 1≤k≤n\displaystyle 1\le k\le n에 대하여,(−2n)2k−2(2k−2)!+(−2n)2k−1(2k−1)!=(−2n)2k−2(2k−1−2n)(2k−1)!=(−2n)2k−2(2k−2n−1)(2k−1)!<0\displaystyle \frac{(-2n)^{2k-2}}{(2k-2)!}+\frac{(-2n)^{2k-1}}{(2k-1)!}=\frac{(-2n)^{2k-2}(2k-1-2n)}{(2k-1)!}=\frac{(-2n)^{2k-2}(2k-2n-1)}{(2k-1)!}<0⇒ p2n−1(−2n)=∑k=1n[(−2n)2k−2(2k−2)!+(−2n)2k−1(2k−1)!]<0\displaystyle p_{2n-1}(-2n)=\sum_{k=1}^n\left[\frac{(-2n)^{2k-2}}{(2k-2)!}+\frac{(-2n)^{2k-1}}{(2k-1)!}\right]<0 ---------- ㉡∴ 식 ㉠과 ㉡에 의해, p2n−1(0)>p2n−1(−2n)\displaystyle p_{2n-1}(0)>p_{2n-1}(-2n)이다.

+5점 · x≥0\displaystyle x\ge0인 경우 p2n(x)=0\displaystyle p_{2n}(x)=0을 만족하는 실근이 없음을 보였는가?

3. x≥0\displaystyle x\ge0인 경우와 x<0\displaystyle x<0인 경우로 나누어 생각하자.(i) x≥0\displaystyle x\ge0인 경우는 p2n(x)≥1>0\displaystyle p_{2n}(x)\ge1>0이므로, p2n(x)=0\displaystyle p_{2n}(x)=0을 만족하는 x≥0\displaystyle x\ge0인 실수는 없다.

+20점 · x<0\displaystyle x<0인 경우 p2n(x)\displaystyle p_{2n}(x)의 극값은 p2n−1(t)=0\displaystyle p_{2n-1}(t)=0인 t\displaystyle t에서 가짐을 보였는가?

(ii) x<0\displaystyle x<0인 경우: 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 p2n(x)>0\displaystyle p_{2n}(x)>0임을 보이면 모든 음의 실수 x\displaystyle x에서는 p2n(x)≠0\displaystyle p_{2n}(x)\ne0이다.따라서 (i)과 (ii)에 의해, p2n(x)=0\displaystyle p_{2n}(x)=0을 만족하는 실수 x\displaystyle x는 존재하지 않는다.(ii)의 경우를 수학적 귀납법을 이용하여 증명하자.n=1\displaystyle n=1인 경우; p2(x)=1+x+x22=(1+x2)2+x24>0\displaystyle p_2(x)=1+x+\frac{x^2}2=\left(1+\frac x2\right)^2+\frac{x^2}4>0이다.n=k−1\displaystyle n=k-1인 경우; p2k−2(x)>0\displaystyle p_{2k-2}(x)>0이 성립함을 가정하자.그렇다면 등식 p2k′(x)=p2k−1(x)\displaystyle p_{2k}^{\prime}(x)=p_{2k-1}(x)이 성립하고, 문제 (2)번에서 p2k−1(0)>0\displaystyle p_{2k-1}(0)>0과 p2k−1(−2k)<0\displaystyle p_{2k-1}(-2k)<0임을 알 수 있다.p2k−1(x)\displaystyle p_{2k-1}(x)는 연속함수이므로, 중간값 정리에 의해 p2k−1(t)=0\displaystyle p_{2k-1}(t)=0인 t\displaystyle t가 −2k\displaystyle -2k과 0 사이에 적어도 하나 존재한다.즉, 0=p2k−1(t)=∑m=02k−1tmm!=∑m=02k−2tmm!+t2k−1(2k−1)!\displaystyle 0=p_{2k-1}(t)=\sum_{m=0}^{2k-1}\frac{t^m}{m!}=\sum_{m=0}^{2k-2}\frac{t^m}{m!}+\frac{t^{2k-1}}{(2k-1)!} -------------- (*)귀납법 가정에 의해, 0<p2k−2(x)=p2k−1′(x)\displaystyle 0<p_{2k-2}(x)=p_{2k-1}^{\prime}(x)이므로 p2k−1(x)\displaystyle p_{2k-1}(x)는 증가함수이다.따라서 p2k−1(t)=0\displaystyle p_{2k-1}(t)=0인 t\displaystyle t가 −2k\displaystyle -2k와 0 사이에 하나만 존재한다.실수 t<0\displaystyle t<0이므로,p2k′′(t)=p2k−1′(t)=p2k−2(t)=∑m=02k−2tmm!=−t2k−1(2k−1)!>0\displaystyle p_{2k}^{\prime\prime}(t)=p_{2k-1}^{\prime}(t)=p_{2k-2}(t)=\sum_{m=0}^{2k-2}\frac{t^m}{m!}=-\frac{t^{2k-1}}{(2k-1)!}>0 --------- ㉢위에서 네번째 등식은 식 (*)에 의해서 성립한다.

+15점 · x<0\displaystyle x<0인 경우 p2n(x)>0\displaystyle p_{2n}(x)>0임을 보였는가?

그러므로 다항식 p2k(x)\displaystyle p_{2k}(x)는 x=t\displaystyle x=t에서 극솟값(최솟값)을 가지고, t≠0\displaystyle t\ne0이므로,p2k(x)≥p2k(t)=∑m=02ktmm!=∑m=02k−1tmm!+t2k(2k)!=t2k(2k)!>0\displaystyle p_{2k}(x)\ge p_{2k}(t)=\sum_{m=0}^{2k}\frac{t^m}{m!}=\sum_{m=0}^{2k-1}\frac{t^m}{m!}+\frac{t^{2k}}{(2k)!}=\frac{t^{2k}}{(2k)!}>0위에서 세번째 등식은 식 (*)에 의해서 성립한다.그러므로 p2n(x)\displaystyle p_{2n}(x)는 실근을 갖지 않는다.

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