수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 양의 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. a2>b\displaystyle a^{2}>b일 때, 다음 세 실수의 크기를 비교하시오.a−a2−b,a2+b−a,b2a\displaystyle a-\sqrt{a^{2}-b},\quad \sqrt{a^{2}+b}-a,\quad \frac{b}{2a}

2. a3>b\displaystyle a^{3}>b일 때, 다음 부등식이 성립함을 보이시오.a3+b3−a<a−a3−b3\displaystyle \sqrt[3]{a^{3}+b}-a<a-\sqrt[3]{a^{3}-b}

3. 두 절댓값 ∣75−5627∣\displaystyle \left|75-\sqrt{5627}\right|과 ∣7−3413∣\displaystyle \left|7-\sqrt[3]{341}\right|의 크기를 비교하시오.

1. a2+b−a=a2+b−a a2+b+aa2+b+a=a2+b+aa2+b−aa2+b−a2a2+b+a=ba2+b+a<b2a\displaystyle \sqrt{a^{2}+b}-a=\sqrt{a^{2}+b}-a\ \frac{\sqrt{a^{2}+b}+a}{\sqrt{a^{2}+b}+a}=\frac{a^{2}+b+a\sqrt{a^{2}+b}-a\sqrt{a^{2}+b}-a^{2}}{\sqrt{a^{2}+b}+a}=\frac{b}{\sqrt{a^{2}+b}+a}<\frac{b}{2a}이 성립한다. 같은 방법으로, 계산하면a−a2−b=a−a2−b a2−b+aa2−b+a=aa2−b+a2−(a2−b)−aa2−ba2−b+a=ba2−b+a>b2a\displaystyle a-\sqrt{a^{2}-b}=a-\sqrt{a^{2}-b}\ \frac{\sqrt{a^{2}-b}+a}{\sqrt{a^{2}-b}+a}=\frac{a\sqrt{a^{2}-b}+a^{2}-(a^{2}-b)-a\sqrt{a^{2}-b}}{\sqrt{a^{2}-b}+a}=\frac{b}{\sqrt{a^{2}-b}+a}>\frac{b}{2a}을 얻는다. 따라서 a2+b−a<b2a<a−a2−b\displaystyle \sqrt{a^{2}+b}-a<\frac{b}{2a}<a-\sqrt{a^{2}-b}이다.

2. x3−y3=(x−y)(x2+xy+y2)\displaystyle x^{3}-y^{3}=(x-y)(x^{2}+xy+y^{2})로부터a3+b3−a=(a3+b)−a3(a3+b3)2+aa3+b3+a2=b(a3+b3)2+aa3+b3+a2<b3a2\displaystyle \sqrt[3]{a^{3}+b}-a=\frac{(a^{3}+b)-a^{3}}{(\sqrt[3]{a^{3}+b})^{2}+a\sqrt[3]{a^{3}+b}+a^{2}}=\frac{b}{(\sqrt[3]{a^{3}+b})^{2}+a\sqrt[3]{a^{3}+b}+a^{2}}<\frac{b}{3a^{2}}이 성립함을 알 수 있다. 마찬가지 방법으로a−a3−b3=a3−(a3−b)a2+aa3−b3+(a3−b3)2=ba2+aa3−b3+(a3−b3)2>b3a2\displaystyle a-\sqrt[3]{a^{3}-b}=\frac{a^{3}-(a^{3}-b)}{a^{2}+a\sqrt[3]{a^{3}-b}+(\sqrt[3]{a^{3}-b})^{2}}=\frac{b}{a^{2}+a\sqrt[3]{a^{3}-b}+(\sqrt[3]{a^{3}-b})^{2}}>\frac{b}{3a^{2}}을 얻는다. 따라서 a3+b3−a<a−a3−b3\displaystyle \sqrt[3]{a^{3}+b}-a<a-\sqrt[3]{a^{3}-b}이 성립한다.

3. 문항 1에서 부등식a2+b−a<b2a<a−a2−b ⋯⋯ ①\displaystyle \sqrt{a^{2}+b}-a<\frac{b}{2a}<a-\sqrt{a^{2}-b}\ \cdots\cdots\ ①이 성립한다. 우선, 752=5625\displaystyle 75^{2}=5625이므로, 부등식 ① 에 의해 부등식∣75−5627∣=5627−75=752+2−75<22⋅75=175\displaystyle \left|75-\sqrt{5627}\right|=\sqrt{5627}-75=\sqrt{75^{2}+2}-75<\frac{2}{2\cdot75}=\frac{1}{75}이 성립한다. 또한 문항 2의 증명으로부터 부등식a3+b3−a<b3a2<a−a3−b3 ⋯⋯ ②\displaystyle \sqrt[3]{a^{3}+b}-a<\frac{b}{3a^{2}}<a-\sqrt[3]{a^{3}-b}\ \cdots\cdots\ ②이 성립함을 알 수 있다. 341=343−2=73−2\displaystyle 341=343-2=7^{3}-2이므로, 부등식 ② 에 의해∣7−3413∣=7−3413=7−73−23>23⋅72=2147>173.5>175\displaystyle \left|7-\sqrt[3]{341}\right|=7-\sqrt[3]{341}=7-\sqrt[3]{7^{3}-2}>\frac{2}{3\cdot7^{2}}=\frac{2}{147}>\frac{1}{73.5}>\frac{1}{75}Correction. 2147\displaystyle \frac{2}{147}과 173.5\displaystyle \frac1{73.5}는 같으므로, 두 값 사이에는 >\displaystyle >가 아니라 =\displaystyle =를 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이 성립한다. 그러므로 ∣75−5627∣<∣7−3413∣\displaystyle \left|75-\sqrt{5627}\right|<\left|7-\sqrt[3]{341}\right|임을 알 수 있다.

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