수리논술, 이게 다다.

이학계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 답하시오.

제시문과 문제에서 n\displaystyle n은 자연수로 가정한다.

가) 다음과 같이 무한급수가 주어졌다:

∑k=1∞1k=1+12+13+14+15+⋯\displaystyle \sum _{k=1} ^{\infty } \frac{1}{k} =1+ \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \frac{1}{5} + \cdots

위에 주어진 무한급수의 첫째항부터 제n\displaystyle n항까지의 부분합 Sn\displaystyle S _{n}을 다음과 같이 정의한다.

Sn=1+12+13+⋯+1n\displaystyle S _{n} =1+ \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{n}

나) 평면에서 직선으로 둘러싸인 도형의 넓이는 그 도형을 유한개의 삼각형이나 사각형으로 나눈 후에 이들의 넓이를 모두 합하여 정확히 구할 수 있다. 그러나 곡선이 포함된 도형의 경우에는 유한개의 삼각형이나 사각형을 사용하면 그 도형 넓이의 근삿값만을 구할 수 있다.

곡선 y=1x\displaystyle y= \frac{1}{x}이 <그림 1-1>과 같이 주어졌다고 가정하자. 이 곡선 y=1x\displaystyle y= \frac{1}{x}과 세 개의 직선 x=1,x=n,y=0\displaystyle x=1, x=n, y=0에 의하여 둘러싸인 영역이 <그림 1-2>에서 빗금으로 표시되었다. 빗금으로 표시된 면적의 근삿값은 직사각형이나 사다리꼴의 면적의 합을 이용하여 구할 수 있다.

함수 y=1/x의 그래프
1부터 n까지 곡선 아래의 넓이

이 때, 빗금으로 표시된 영역의 면적을 An\displaystyle A _{n}으로 표시한다. 단, A1=0\displaystyle A _{1} =0이다.

[문제 1-1] 제시문 가)에서 주어진 무한급수의 부분합 Sn\displaystyle S _{n}에 대해서,

n=2r(r=0,1,2,⋯ )\displaystyle n=2 ^{r} \left ( r=0, 1, 2, \cdots \right )일 때의 부분합 Sn\displaystyle S _{n}은 다음과 같은 부등식을 만족한다.

Sn≥1+r2(n=2r,r=0,1,2⋯ )⋯⋯⋯(1)\displaystyle S _{n} \geq 1+ \frac{r}{2} \left ( n=2 ^{r} , r=0, 1, 2 \cdots \right ) \cdots \cdots \cdots (1)

(i) r=3\displaystyle r=3과 r=7\displaystyle r=7일 때 위의 부등식 (1)이 성립함을 보여라.

(ii) 수학적 귀납법을 사용하여 위의 부등식 (1)이 음이 아닌 모든 정수 r\displaystyle r에 대하여

성립함을 보여라.

[문제 1-2] 무한급수 ∑k=1∞1k\displaystyle \sum _{k=1} ^{\infty } \frac{1}{k}이 수렴하는지 발산하는지를 판단하고 그 이유를 설명하시오.

[문제 1-3] 제시문 나)를 이용하여 다음 부등식이 성립함을 설명하여라.

An+12+12n≤Sn≤An+1\displaystyle A _{n} + \frac{1}{2} + \frac{1}{2n} \leq S _{n} \leq A _{n} +1

[문제 1-4] 부등식 A5>1.7\displaystyle A _{5} >1.7이 참인지 거짓인지를 판정하고, 그 이유를 설명하여라.

해설강의 준비중
+5점 · [문제 1-1] (i)

[문제 1-1]

(i)

● r=3:\displaystyle r=3 :

S2r=S23=S8=1+12+(13+14)+(15+⋯+18)\displaystyle S _{2 ^{r}} =S _{2 ^{3}} =S _{8} =1+ \frac{1}{2} + \left ( \frac{1}{3} + \frac{1}{4} \right ) + \left ( \frac{1}{5} + \cdots + \frac{1}{8} \right )

≥1+12+2⋅14+22⋅18=1+3⋅12\displaystyle \geq 1+ \frac{1}{2} +2 \cdot \frac{1}{4} +2 ^{2} \cdot \frac{1}{8} =1+3 \cdot \frac{1}{2}

● r=7:\displaystyle r=7 :

S2r=S27=S128\displaystyle S _{2 ^{r}} =S _{2 ^{7}} =S _{128}

=1+12+(121+1+122)+(122+1+⋯+123)+⋯+(126+1+⋯+127)\displaystyle =1+ \frac{1}{2} + \left ( \frac{1}{2 ^{1} +1} + \frac{1}{2 ^{2}} \right ) + \left ( \frac{1}{2 ^{2} +1} + \cdots + \frac{1}{2 ^{3}} \right ) + \cdots + \left ( \frac{1}{2 ^{6} +1} + \cdots + \frac{1}{2 ^{7}} \right )

≥1+12+2⋅122+22⋅123+⋯+26⋅127=1+7⋅12\displaystyle \geq 1+ \frac{1}{2} +2 \cdot \frac{1}{2 ^{2}} +2 ^{2} \cdot \frac{1}{2 ^{3}} + \cdots +2 ^{6} \cdot \frac{1}{2 ^{7}} =1+7 \cdot \frac{1}{2}

+7점 · [문제 1-1] (ii)

(ii)

수학적 귀납법을 이용하여 r=0,1,2,⋯\displaystyle r=0, 1, 2, \cdots에 대하여 다음의 부등식이 성립함을 보인다.

S2r≥1+r2⋯⋯⋯(1)\displaystyle S _{2 ^{r}} \geq 1+ \frac{r}{2} \cdots \cdots \cdots (1)

(a) r=0\displaystyle r=0일 때 (1)이 성립한다.

S2r=S20=S1=1≥1=1+02=1+r2\displaystyle S _{2 ^{r}} =S _{2 ^{0}} =S _{1} =1 \geq 1=1+ \frac{0}{2} =1+ \frac{r}{2}

(b) r=k\displaystyle r=k일 때 (1)이 성립한다고 가정하고 r=k+1\displaystyle r=k+1일 때도 (1)이 성립함을 보인다.

S2k+1=1+12+⋯+12k+12k+1+⋯+12k+1\displaystyle S _{2 ^{k+1}} =1+ \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{2 ^{k}} + \frac{1}{2 ^{k} +1} + \cdots + \frac{1}{2 ^{k+1}}

=S2k+12k+1+⋯+12k+1\displaystyle =S _{2 ^{k}} + \frac{1}{2 ^{k} +1} + \cdots + \frac{1}{2 ^{k+1}}

≥1+k2+12k+1+⋯+12k+1\displaystyle \geq 1+ \frac{k}{2} + \frac{1}{2 ^{k} +1} + \cdots + \frac{1}{2 ^{k+1}} (r=k\displaystyle r=k일 때 (1) 성립 적용)

≥1+k2+2k⋅12k+1=1+k+12\displaystyle \geq 1+ \frac{k}{2} +2 ^{k} \cdot \frac{1}{2 ^{k+1}} =1+ \frac{k+1}{2}

즉, r=k+1\displaystyle r=k+1일 때 (1)이 성립한다.

+3점 · [문제 1-2]

[문제 1-2]

(1)식으로부터 r→∞\displaystyle r \to \infty일 때 S2r→∞\displaystyle S _{2 ^{r}} \to \infty이므로 ∑k=1∞1k\displaystyle \sum _{k=1} ^{\infty } \frac{1}{k}은 발산한다.

+5점 · [문제 1-3] 1단계

[문제 1-3]

<1단계> 아래 그림에서 빗금으로 표시된 직사각형 면적의 합을 Ln\displaystyle L _{n}이라고 하면

Ln=1⋅12+1⋅13+⋯+1⋅1n=Sn−1\displaystyle L _{n} =1 \cdot \frac{1}{2} +1 \cdot \frac{1}{3} + \cdots +1 \cdot \frac{1}{n} =S _{n} -1이고 Ln≤An\displaystyle L _{n} \leq A _{n}이다.

그러므로 Sn≤An+1\displaystyle S _{n} \leq A _{n} +1

직사각형 넓이의 합 Lₙ
+5점 · [문제 1-3] 2단계

<2단계> 아래 그림에서 빗금으로 표시된 사다리꼴 면적의 합을 Un\displaystyle U _{n}이라고 하면

Un=12(1+12)+12(12+13)+⋯+12(1n−1+1n)\displaystyle U _{n} = \frac{1}{2} \left ( 1+ \frac{1}{2} \right ) + \frac{1}{2} \left ( \frac{1}{2} + \frac{1}{3} \right ) + \cdots + \frac{1}{2} \left ( \frac{1}{n-1} + \frac{1}{n} \right )

=12(1+12+13+⋯+1n−1)+12(12+13+14+⋯+1n)\displaystyle = \frac{1}{2} \left ( 1+ \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{n-1} \right ) + \frac{1}{2} \left ( \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{n} \right )

=12(Sn−1n)+12(Sn−1)=Sn−12n−12\displaystyle = \frac{1}{2} \left ( S _{n} - \frac{1}{n} \right ) + \frac{1}{2} \left ( S _{n} -1 \right ) =S _{n} - \frac{1}{2n} - \frac{1}{2}

또한, An≤Un\displaystyle A _{n} \leq U _{n}이므로 An+12n+12≤Sn\displaystyle A _{n} + \frac{1}{2n} + \frac{1}{2} \leq S _{n}이다.

그러므로, <1단계>와 <2단계>에 의하여 An+12+12n≤Sn≤An+1\displaystyle A _{n} + \frac{1}{2} + \frac{1}{2n} \leq S _{n} \leq A _{n} +1

사다리꼴 넓이의 합 Uₙ
+5점 · [문제 1-4]

[문제 1-4]

[문제 1-3]의 결과로부터 S5−1≤A5≤S5−110−12\displaystyle S _{5} -1 \leq A _{5} \leq S _{5} - \frac{1}{10} - \frac{1}{2}이다.

S5−1=12+13+14+15=1.283˙\displaystyle S _{5} -1= \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \frac{1}{5} =1.28 \dot{3}

S5−110−12=1+12+13+14+15−0.1−12=1.683˙\displaystyle S _{5} - \frac{1}{10} - \frac{1}{2} =1+ \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \frac{1}{5} -0.1- \frac{1}{2} =1.68 \dot{3}

위의 결과로부터 1.283˙≤A5≤1.683˙\displaystyle 1.28 \dot{3} \leq A _{5} \leq 1.68 \dot{3} 그러므로 A5>1.7\displaystyle A _{5} >1.7은 거짓이다.

[문제 1-1] 수학적 귀납법을 정확히 알고 있는지 평가한다.

[문제 1-2] [문제 1-1]에서 주어진 부등식에 대한 극한 개념을 이해할 수 있는지 평가한다.

[문제 1-3] 제시문 나)에서 설명된 기호 An\displaystyle A_n과 평면도형의 면적공식을 연결시킬 수 있는지 평가한다.

[문제 1-4] [문제 1-3]에서 제공된 부등식을 활용할 수 있는지 평가한다.

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