수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (일요일) 1번

문제

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[논제 I-1]

n\displaystyle n번째 단계에서 물의 양은 다음 점화식으로 표현될 수 있다.

V1=1\displaystyle V_{1} = 1, Vn+1=Vn14Vn2+1(n1)\displaystyle V_{n + 1} = V_{n} - \frac{1}{4} V_{n}^{2} + 1 ( n \ge 1 )

명제 0<Vn<2\displaystyle 0 < V_{n} < 2가 모든 n\displaystyle n에 대하여 성립함을 보이자.

n=1\displaystyle n = 1일 때, V1=1\displaystyle V_{1} = 1이므로 만족한다.

n=k\displaystyle n = k일 때, 0<Vk<2\displaystyle 0 < V_{k} < 2가 성립한다고 가정하면,

Vk+1=Vk14Vk2+1\displaystyle V_{k + 1} = V_{k} - \frac{1}{4} V_{k}^{2} + 1에서 Vk+1=14(Vk2)2+2\displaystyle V_{k + 1} = - \frac{1}{4} ( V_{k} - 2 )^{2} + 2이고

0<Vk<2\displaystyle 0 < V_{k} < 2이므로 1<14(Vk2)2+2<2\displaystyle 1 < - \frac{{1}}{4} ( V_{k} - 2 )^{2} + 2 < 2이다.

그러므로 0<Vk+1<2\displaystyle 0 < V_{k + 1} < 2이고 n=k+1\displaystyle n = k + 1일 때 명제가 성립한다.

따라서 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0<Vn<2\displaystyle 0 < V_{n} < 2이 성립한다.

[논제 I-2]

임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Vn+1>Vn\displaystyle V_{n + 1} > V_{n}임을 보이자.

Vn+1Vn=14Vn2+1\displaystyle V_{n + 1} - V_{n} = - \frac{1}{4} V_{n}^{2} + 1이고 [논제 I-1]의 결과로부터

모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0<Vn<2\displaystyle 0 < V_{n} < 2이다.

이를 이용하면 모든 n\displaystyle n에 대하여 14Vn2+1>0\displaystyle - \frac{1}{4} V_{n}^{2} + 1 > 0이므로 Vn+1Vn>0\displaystyle V_{n + 1} - V_{n} > 0이다.

따라서 용기에 담긴 물의 양 Vn\displaystyle V_{n}n\displaystyle n이 커짐에 따라 증가한다.

[논제 I-3]

점화식 Vn+1=Vn14Vn2+1\displaystyle V_{n + 1} = V_{n} - \frac{1}{4} V_{n}^{2} + 12Vn+1=14(2Vn)2\displaystyle 2 - V_{n + 1} = \frac{{1}}{4} ( 2 - V_{n} )^{2}로 변형한다.

여기서 an=2Vn\displaystyle a_{n} = 2 - V_{n}이라고 두면 an+1=14an2\displaystyle a_{n + 1} = \frac{1}{4} a_{n}^{2}이다.

[논제I-1]의 결과로부터 모든 n1\displaystyle n \ge 1에 관하여 an>0\displaystyle a_{n} > 0이다.

따라서 등식 an+1=14an2\displaystyle a_{n + 1} = \frac{1}{4} a_{n}^{2}의 양변에 log2\displaystyle \log_{2}를 취하면, log2an+1=2+2log2an\displaystyle \log_{2} a_{n+1} = - 2 + 2 \log_{2} a_{n}이다.

이때, bn=log2an\displaystyle b_{n} = \log_{2} a_{n}으로 두면 bn+12=2(bn2)\displaystyle b_{n + 1} - 2 = 2 ( b_{n} - 2 )이므로

수열 {bn2}\displaystyle \{b_n-2\}는 공비가 2이고 초항이 b12=2\displaystyle b_{1} - 2 = - 2인 등비수열이다.

즉, bn2=(2)2n1=2n\displaystyle b_{n} - 2 = ( - 2 ) \cdot 2^{n - 1} = - 2^{n}이고 an=2bn=222n\displaystyle a_{n} = 2^{b_n} = 2^{2 - 2^{n}}이다.

따라서 Vn=2an=2222n\displaystyle V_{n} = 2 - a_{n} = 2 - 2^{2 - 2^{n}}이고 limnVn=2\displaystyle \lim_{n \to \infty} {V_{n}} = 2이다.

[논제 I-4]

원기둥의 밑면의 반지름을 r\displaystyle r, 원기둥의 높이를 h\displaystyle h라 하자.

물이 넘치지 않게 최소의 겉넓이를 가지도록 용기를 만들려면,

아래 두 조건을 만족하는

θ\displaystyle \theta, h\displaystyle h, r\displaystyle r 중 용기의 겉넓이가 최소가 되는 값을 찾으면 된다.

조건 1. tanθ=2rh\displaystyle \tan \theta = 2 \frac{r}{h}

조건 2. 12×원기둥의 부피=2\displaystyle \frac{1}{2} \times \text{원기둥의 부피} = 2

기울어진 원기둥의 단면과 각도

12πr2h=2\displaystyle \frac{1}{2} \pi r^{2} h = 2, tanθ=2rh\displaystyle \tan \theta = 2 \frac{r}{h}, 그리고 용기의 겉넓이는 f=πr2+πrh\displaystyle f = \pi r^{2} + \pi r h 이다.

12πr2h=2\displaystyle \frac{1}{2} \pi r^{2} h = 2를 이용하면, h=4πr2\displaystyle h = \frac{4}{\pi r^{2}}이므로 f=πr2+4r\displaystyle f = \pi r^{2} + \frac{4}{r}이다.

f\displaystyle fr\displaystyle r에 관한 함수이고 r>0\displaystyle r > 0에서 미분가능하므로, f(r)=2πr2(r32π)\displaystyle f^{\prime} ( r ) = \frac{{2 \pi}}{r^{2}} \left( r^{3} - \frac{2}{\pi} \right) 이다.

미분의 결과로서 r>0\displaystyle r > 0인 구간에서 f(r)\displaystyle f ( r )r=2π3\displaystyle r = \sqrt[3]{\frac{2}{\pi}}에서 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=4πr2=22π3\displaystyle h = \frac{{4}}{\pi r^{2}} = 2 \sqrt[3]{\frac{2}{\pi}}이고, tanθ=2rh=1\displaystyle \tan \theta = 2 \frac{r}{h} = 1이다.

용기를 물로 가득 채웠을 때 용기의 밑면은 물의 표면의 정사영이 되므로,

두 넓이는 S0=Scos(π2θ)=Ssinθ\displaystyle S_{0} = S \cos \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) = S \sin \theta를 만족한다.

따라서 SS0=1sinθ=2\displaystyle \frac{S}{S_{0}} = \frac{1}{\sin \theta} = \sqrt{2}이고 두 넓이의 비와 가장 가까운 자연수는 1이다.

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