[논제 I-1]
n번째 단계에서 물의 양은 다음 점화식으로 표현될 수 있다.
V1=1, Vn+1=Vn−41Vn2+1(n≥1)
명제 0<Vn<2가 모든 n에 대하여 성립함을 보이자.
n=1일 때, V1=1이므로 만족한다.
n=k일 때, 0<Vk<2가 성립한다고 가정하면,
Vk+1=Vk−41Vk2+1에서 Vk+1=−41(Vk−2)2+2이고
0<Vk<2이므로 1<−41(Vk−2)2+2<2이다.
그러므로 0<Vk+1<2이고 n=k+1일 때 명제가 성립한다.
따라서 모든 자연수 n에 대하여 0<Vn<2이 성립한다.
[논제 I-2]
임의의 자연수 n에 대하여 Vn+1>Vn임을 보이자.
Vn+1−Vn=−41Vn2+1이고 [논제 I-1]의 결과로부터
모든 자연수 n에 대하여 0<Vn<2이다.
이를 이용하면 모든 n에 대하여 −41Vn2+1>0이므로 Vn+1−Vn>0이다.
따라서 용기에 담긴 물의 양 Vn은 n이 커짐에 따라 증가한다.
[논제 I-3]
점화식 Vn+1=Vn−41Vn2+1을 2−Vn+1=41(2−Vn)2로 변형한다.
여기서 an=2−Vn이라고 두면 an+1=41an2이다.
[논제I-1]의 결과로부터 모든 n≥1에 관하여 an>0이다.
따라서 등식 an+1=41an2의 양변에 log2를 취하면, log2an+1=−2+2log2an이다.
이때, bn=log2an으로 두면 bn+1−2=2(bn−2)이므로
수열 {bn−2}는 공비가 2이고 초항이 b1−2=−2인 등비수열이다.
즉, bn−2=(−2)⋅2n−1=−2n이고 an=2bn=22−2n이다.
따라서 Vn=2−an=2−22−2n이고 n→∞limVn=2이다.
[논제 I-4]
원기둥의 밑면의 반지름을 r, 원기둥의 높이를 h라 하자.
물이 넘치지 않게 최소의 겉넓이를 가지도록 용기를 만들려면,
아래 두 조건을 만족하는
θ, h, r 중 용기의 겉넓이가 최소가 되는 값을 찾으면 된다.
조건 1. tanθ=2hr
조건 2. 21×원기둥의 부피=2

21πr2h=2, tanθ=2hr, 그리고 용기의 겉넓이는 f=πr2+πrh 이다.
21πr2h=2를 이용하면, h=πr24이므로 f=πr2+r4이다.
f는 r에 관한 함수이고 r>0에서 미분가능하므로, f′(r)=r22π(r3−π2) 이다.
미분의 결과로서 r>0인 구간에서 f(r)은 r=3π2에서 최댓값을 가진다.Correction. 여기서 ‘최댓값’은 ‘최솟값’의 오기이다. 도함수의 부호가 음수에서 양수로 바뀌므로 이 반지름에서 겉넓이가 최소가 된다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
이때, h=πr24=23π2이고, tanθ=2hr=1이다.
용기를 물로 가득 채웠을 때 용기의 밑면은 물의 표면의 정사영이 되므로,
두 넓이는 S0=Scos(2π−θ)=Ssinθ를 만족한다.
따라서 S0S=sinθ1=2이고 두 넓이의 비와 가장 가까운 자연수는 1이다.