수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 2번

문제

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1.f(x)=(x3)(x2017)+(x1)(x5)(x2017)+(x1)(x3)(x7)(x2017)++(x1)(x3)(x2015)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=(x-3)\cdots(x-2017)+(x-1)(x-5)\cdots(x-2017)\\&\quad+(x-1)(x-3)(x-7)\cdots(x-2017)+\cdots+(x-1)(x-3)\cdots(x-2015)\end{aligned}이고,f(2)=(23)(25)(22017)+(21)(25)(22017)+(21)(23)(27)(22017)++(21)(23)(22015)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(2)&=(2-3)(2-5)\cdots(2-2017)+(2-1)(2-5)\cdots(2-2017)\\&\quad+(2-1)(2-3)(2-7)\cdots(2-2017)\\&\quad+\cdots+(2-1)(2-3)\cdots(2-2015)\end{aligned}이다. 한편 우변의 첫 두항의 합은(23)(25)(22017)+(21)(25)(22017)=(1)(25)(22017)+(1)(25)(22017)=0\displaystyle \begin{aligned}&(2-3)(2-5)\cdots(2-2017)+(2-1)(2-5)\cdots(2-2017)\\&=(-1)(2-5)\cdots(2-2017)+(1)(2-5)\cdots(2-2017)=0\end{aligned}이므로f(2)=(21)(23)(27)(22017)++(21)(23)(22015)\displaystyle f^{\prime}(2)=(2-1)(2-3)(2-7)\cdots(2-2017)+\cdots+(2-1)(2-3)\cdots(2-2015)한편 우변의 각항은 음수 1007개의 곱이므로 역시 음수이고, f(2)<0\displaystyle f^{\prime}(2)<0이다.

2. 우선 임의의 a=1,3,,2017\displaystyle a=1,3,\ldots,2017에 대하여 f(a)=0\displaystyle f(a)=0이고 f(a)0\displaystyle f^{\prime}(a)\ne0이므로f(a)f(a)<(f(a))2.\displaystyle f^{\prime\prime}(a)f(a)<(f^{\prime}(a))^2.만약 x\displaystyle x1,3,,2017\displaystyle 1,3,\ldots,2017이 아닌 실수라면 f(x)0\displaystyle f(x)\ne0이므로f(x)f(x)f(x)2f(x)2<0()\displaystyle \frac{f(x)f^{\prime\prime}(x)-f^{\prime}(x)^2}{f(x)^2}<0\quad------(*)임을 보이면 된다. 한편f(x)f(x)=1x1++1x2017\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\frac1{x-1}+\cdots+\frac1{x-2017}이고(f(x)f(x))=f(x)f(x)f(x)2f(x)2=(1(x1)2++1(x2017)2)<0.\displaystyle \left(\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}\right)^{\prime}=\frac{f(x)f^{\prime\prime}(x)-f^{\prime}(x)^2}{f(x)^2}=-\left(\frac1{(x-1)^2}+\cdots+\frac1{(x-2017)^2}\right)<0.

3. 우선1=g(α)31=p1(α)pn(α)()\displaystyle -1=g(\alpha)^3-1=p_1(\alpha)\cdots p_n(\alpha)\quad-----(*)이고 pi(α) (i=1,,n)\displaystyle p_i(\alpha)\ (i=1,\ldots,n)는 정수이므로 pi(α)=±1\displaystyle p_i(\alpha)=\pm1이고h(α)=p1(α)2++pn(α)2n=0.\displaystyle h(\alpha)=p_1(\alpha)^2+\cdots+p_n(\alpha)^2-n=0.한편3g(x)2g(x)=p1(x)p2(x)pn(x)++p1(x)pn1(x)pn(x)\displaystyle 3g(x)^2g^{\prime}(x)=p_1^{\prime}(x)p_2(x)\cdots p_n(x)+\cdots+p_1(x)\cdots p_{n-1}(x)p_n^{\prime}(x)이므로0=p1(α)p2(α)pn(α)++p1(α)pn1(α)pn(α)=(p1(α)p1(α)++pn(α)pn(α)) (* 적용)=(p1(α)p1(α)++pn(α)pn(α))(pi(α)=±1=1pi(α))\displaystyle \begin{aligned}0&=p_1^{\prime}(\alpha)p_2(\alpha)\cdots p_n(\alpha)+\cdots+p_1(\alpha)\cdots p_{n-1}(\alpha)p_n^{\prime}(\alpha)\\&=-\left(\frac{p_1^{\prime}(\alpha)}{p_1(\alpha)}+\cdots+\frac{p_n^{\prime}(\alpha)}{p_n(\alpha)}\right)\quad-------------\text{ (* 적용)}\\&=-\left(p_1^{\prime}(\alpha)p_1(\alpha)+\cdots+p_n^{\prime}(\alpha)p_n(\alpha)\right)\quad-----------\left(p_i(\alpha)=\pm1=\frac1{p_i(\alpha)}\right)\end{aligned}이고 h(x)=2(p1(x)p1(x)++pn(x)pn(x))\displaystyle h^{\prime}(x)=2(p_1(x)p_1^{\prime}(x)+\cdots+p_n(x)p_n^{\prime}(x))이므로 h(α)=0\displaystyle h^{\prime}(\alpha)=0.

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