Ⅰ. 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (60점)
[가]
임의의 실수 a \displaystyle a a 에 대하여
a + 0 = 0 + a = a \displaystyle a + 0 = 0 + a = a a + 0 = 0 + a = a , a ⋅ 1 = 1 ⋅ a = a \displaystyle a \cdot 1 = 1 \cdot a = a a ⋅ 1 = 1 ⋅ a = a
을 만족하는 실수 0 \displaystyle 0 0 , 1 \displaystyle 1 1 이 존재한다. 이때 0 \displaystyle 0 0 을 덧셈에 대한 항등원, 1 \displaystyle 1 1 을 곱셈에 대한 항등원이라고 한다.
한편 임의의 실수 a \displaystyle a a 에 대하여
a + ( − a ) = ( − a ) + a = 0 \displaystyle a + ( - a ) = ( - a ) + a = 0 a + ( − a ) = ( − a ) + a = 0 , a ⋅ 1 a = 1 a ⋅ a = 1 ( a ≠ 0 ) \displaystyle a \cdot \frac{{1}}{a} = \frac{{1}}{a} \cdot a = 1 ( a \ne 0 ) a ⋅ a 1 = a 1 ⋅ a = 1 ( a = 0 )
을 만족하는 실수 − a \displaystyle - a − a , 1 a ( a ≠ 0 ) \displaystyle \frac{{1}}{a} ( a \ne 0 ) a 1 ( a = 0 ) 이 존재한다. 이때 − a \displaystyle - a − a 를 a \displaystyle a a 의 덧셈에 대한 역원, 1 a \displaystyle \frac{{1}}{a} a 1 을 a \displaystyle a a 의 곱셈에 대한 역원이라고 한다.
[나]
수학적 귀납법은 자연수 n \displaystyle n n 에 대한 명제 p ( n ) \displaystyle p ( n ) p ( n ) 이 모든 자연수에 대하여 성립함을 증명하는 한 방법으로, 다음 (i), (ii)를 증명하면 된다.
(i) p ( 1 ) \displaystyle p ( 1 ) p ( 1 ) 이 성립한다.
(ii) p ( k ) \displaystyle p ( k ) p ( k ) 가 성립한다고 가정하면 p ( k + 1 ) \displaystyle p ( k + 1 ) p ( k + 1 ) 이 성립한다.
자연수 n \displaystyle n n 에 대한 명제 p ( n ) \displaystyle p ( n ) p ( n ) 이 m \displaystyle m m 이상의 모든 자연수 n \displaystyle n n 에 대하여 성립함을 증명하려면 앞의 수학적 귀납법 (i)에서 p ( 1 ) \displaystyle p ( 1 ) p ( 1 ) 대신 p ( m ) \displaystyle p ( m ) p ( m ) 이 성립함을 보이면 된다.
[다]
일반적으로 수열에서 첫째항과 임의의 이웃하는 두 항 사이의 관계식이 주어지면 수열{ a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 의 모든 항을 구할 수 있다. 이와 같이 a 1 \displaystyle a_{1} a 1 의 값과 a n \displaystyle a_{n} a n 에서 a n + 1 \displaystyle a_{n+1} a n + 1 을 구할 수 있는 관계식을 이용하여 수열{ a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 을 정의하는 것을 수열의 귀납적 정의라고 한다. 이때 a n \displaystyle a_{n} a n 과 a n + 1 \displaystyle a_{n+1} a n + 1 사이의 관계식을 점화식이라고 한다.
무한수열{ a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 에서 n \displaystyle n n 이 한없이 커질 때, 일반항 a n \displaystyle a_{n} a n 의 값이 일정한 수 α \displaystyle \alpha α 에 한없이 가까워지면 수열{ a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 은 α \displaystyle \alpha α 에 수렴한다고 한다. 이때 α \displaystyle \alpha α 를 무한수열{ a n } \displaystyle \{a_n\} { a n } 의 극한값 또는 극한이라고 하고, 기호로 lim n → ∞ a n = α \displaystyle \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = \alpha n → ∞ lim a n = α 와 같이 나타낸다.
[라]
함수 y = f ( x ) \displaystyle y = f ( x ) y = f ( x ) 에서 x \displaystyle x x 의 값이 a \displaystyle a a 에서 a + Δ x \displaystyle a + \Delta x a + Δ x 까지 변할 때, 이 함수의 평균변화율의 극한값 lim Δ x → 0 f ( a + Δ x ) − f ( a ) Δ x \displaystyle \lim_{\Delta x \to 0} {\frac{{f ( a + \Delta x ) - f ( a )}}{\Delta x}} Δ x → 0 lim Δ x f ( a + Δ x ) − f ( a ) 이 존재하면, 함수 y = f ( x ) \displaystyle y = f ( x ) y = f ( x ) 는 x = a \displaystyle x = a x = a 에서 미분가능하다고 하며, 이 극한값을 함수 y = f ( x ) \displaystyle y = f ( x ) y = f ( x ) 의 x = a \displaystyle x = a x = a 에서의 미분계수 또는 순간변화율이라 한다. 또, 함수 y = f ( x ) \displaystyle y = f ( x ) y = f ( x ) 가 어떤 구간 안의 모든 점 x \displaystyle x x 에서 미분가능하면, 이 함수는 그 구간에서 미분가능하다고 한다.
[마]
닫힌 구간 [ a , b ] \displaystyle [ a , b ] [ a , b ] 에서 연속인 함수 f ( x ) \displaystyle f ( x ) f ( x ) 와 g ( x ) \displaystyle g ( x ) g ( x ) 가 f ( x ) ≤ g ( x ) \displaystyle f ( x ) \leq g ( x ) f ( x ) ≤ g ( x ) ( a ≤ x ≤ b ) \displaystyle ( a \leq x \leq b ) ( a ≤ x ≤ b ) 일 때, 다음 부등식
∫ a b f ( x ) d x ≤ ∫ a b g ( x ) d x \displaystyle \int_{a}^{b} {f ( x ) d x} \leq \int_{a}^{b} {g ( x ) d x} ∫ a b f ( x ) d x ≤ ∫ a b g ( x ) d x
이 성립하고, 이 부등식은 여러 가지 부등식을 증명할 때 많이 이용한다.
[논제 I] 제시문 [가] ∼ [마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.
양의 실수 a \displaystyle a a , b \displaystyle b b 에 관하여, 연산 ∗ \displaystyle {\ast} ∗ 을 다음과 같이 정의하자.
a ∗ b = a b a + b \displaystyle {a \ast b = \frac{{a b}}{a + b}} a ∗ b = a + b ab
그리고 실수 a \displaystyle a a , b \displaystyle b b 에 관하여, min { a , b } \displaystyle {\min \left\{ a , b \right\}} min { a , b } 를 a ≤ b \displaystyle {a \leq b} a ≤ b 이면 min { a , b } = a \displaystyle {\min \left\{ a , b \right\} = a} min { a , b } = a 이고, a > b \displaystyle a > b a > b 이면 min { a , b } = b \displaystyle {\min \left\{ a , b \right\} = b} min { a , b } = b 라고 정의하자.
[논제 I-1]
양의 실수 a \displaystyle \mathrm{a} a , b \displaystyle \mathrm{b} b 에 관하여, a ∗ b ≤ min { a , b } \displaystyle {\mathrm{a} \ast \mathrm{b} \leq \min \left\{ \mathrm{a} , \mathrm{b} \right\}} a ∗ b ≤ min { a , b } 이고 a ∗ b = ( a − 1 + b − 1 ) − 1 \displaystyle {\mathrm{a} \ast \mathrm{b} = ( \mathrm{a}^{- 1} + \mathrm{b}^{- 1} )^{- 1}} a ∗ b = ( a − 1 + b − 1 ) − 1 임을 보이고 그 근거를 논술하시오. (단, a − 1 \displaystyle {\mathrm{a}^{- 1}} a − 1 는 곱셈에 대한 a \displaystyle {\mathrm{a}} a 의 역원을 나타낸다.) (8점)
[논제 I-2]
양의 실수 a 1 \displaystyle \mathrm{a}_{1} a 1 , a 2 \displaystyle \mathrm{a}_{2} a 2 , ⋯ \displaystyle \cdots ⋯ , a n \displaystyle \mathrm{a}_{\mathrm{n}} a n 에 연산 ∗ \displaystyle \ast ∗ 을 계속 적용하여,
a 1 ∗ a 2 \displaystyle {{\mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2}}} a 1 ∗ a 2 , ( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 \displaystyle {{( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3}}} ( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 , ( ( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ a 4 \displaystyle {( ( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3} ) \ast \mathrm{a}_{4}} (( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ a 4 , ⋅ \displaystyle \cdot ⋅ ⋅ \displaystyle \cdot ⋅ ⋅ \displaystyle \cdot ⋅ , ( ( ⋯ ( ( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ ⋯ ) ∗ a n − 1 ) ∗ a n \displaystyle {{( ( \cdots ( ( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3} ) \ast \cdots ) \ast \mathrm{a}_{\mathrm{n} - 1} ) \ast \mathrm{a}_{\mathrm{n}}}} (( ⋯ (( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ ⋯ ) ∗ a n − 1 ) ∗ a n
을 얻을 수 있다. 이때 다음 등식이 2 \displaystyle 2 2 이상의 모든 자연수 n \displaystyle \mathrm{n} n 에 대하여 성립함을 [논제 I-1]의 결과와 수학적 귀납법을 이용하여 논술하시오. (12점)
( ( ⋯ ( ( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ ⋯ ) ∗ a n − 1 ) ∗ a n = ( a 1 − 1 + a 2 − 1 + ⋯ + a n − 1 − 1 + a n − 1 ) − 1 \displaystyle {{( ( \cdots ( ( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3} ) \ast \cdots ) \ast \mathrm{a}_{\mathrm{n} - 1} ) \ast \mathrm{a}_{\mathrm{n}} = \left( \mathrm{a}_{1}^{- 1} + \mathrm{a}_{2}^{- 1} + \cdots + \mathrm{a}_{\mathrm{n} - 1}^{- 1} + \mathrm{a}_{\mathrm{n}}^{- 1} \right)^{- 1}}} (( ⋯ (( a 1 ∗ a 2 ) ∗ a 3 ) ∗ ⋯ ) ∗ a n − 1 ) ∗ a n = ( a 1 − 1 + a 2 − 1 + ⋯ + a n − 1 − 1 + a n − 1 ) − 1 ( n ≥ 2 ) \displaystyle {( \mathrm{n} \geq 2 )} ( n ≥ 2 )
[논제 I-3]
양의 실수 x \displaystyle \mathrm{x} x 가 주어졌을 때, 수열{ a n } \displaystyle { \left\{ \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \right\}} { a n } 을 다음과 같이 귀납적으로 정의하자.
a 1 = x − 1 \displaystyle {\mathrm{a}_{1} = \mathrm{x}^{- 1}} a 1 = x − 1 , a n + 1 = a n ∗ ( x − 1 ) n + 1 \displaystyle {{\mathrm{a}_{\mathrm{n} + 1} = \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \ast ( \mathrm{x}^{- 1} )^{\mathrm{n} + 1}}} a n + 1 = a n ∗ ( x − 1 ) n + 1 ( n = 1 , 2 , 3 , ⋯ ) \displaystyle {( \mathrm{n} = 1 , 2 , 3 , \cdots )} ( n = 1 , 2 , 3 , ⋯ )
위 수열{ a n } \displaystyle { \left\{ \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \right\}} { a n } 의 극한값을 x \displaystyle \mathrm{x} x 에 대응시키면 함수 f ( x ) \displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )} f ( x ) 를 만들 수 있다. 이때 함수 f ( x ) \displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )} f ( x ) 를 구하고, f ( x ) \displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )} f ( x ) 의 미분가능성을 조사하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. (20점)
[논제 I-4]
구간 [ 0 , π 2 ] \displaystyle {\left[ 0 , \frac{{\pi}}{2} \right]} [ 0 , 2 π ] 에서 함수 f ( x ) \displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )} f ( x )
f ( x ) = { 0 ( x = 0 ) ( sin x ) ∗ ( cos x ) ( 0 < x < π 2 ) 0 ( x = π 2 ) \displaystyle {{\mathrm{f} ( \mathrm{x} ) = {\begin{cases}0 & \left( \mathrm{x} = 0 \right) \\ ( \sin \mathrm{x} ) \ast ( \cos \mathrm{x} ) & ( 0 < \mathrm{x} < \frac{{\pi}}{2} ) \\ 0 & ( \mathrm{x} = \frac{{\pi}}{2} )\end{cases}}}} f ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 ( sin x ) ∗ ( cos x ) 0 ( x = 0 ) ( 0 < x < 2 π ) ( x = 2 π )
에 관하여 다음 부등식
1 − 2 2 ≤ ∫ 0 π 2 f ( x ) d x ≤ 2 − 2 \displaystyle {1 - \frac{{\sqrt{2}}}{2} \leq} \int_{{0}}^{{\frac{{\pi}}{2}}} {} {\mathrm{f} ( \mathrm{x} ) \mathrm{dx}\leq 2 - \sqrt{2}} 1 − 2 2 ≤ ∫ 0 2 π f ( x ) dx ≤ 2 − 2
이 성립함을 논술하시오. (20점)