수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

Ⅰ. 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (60점)

[가]

임의의 실수 a\displaystyle a에 대하여

a+0=0+a=a\displaystyle a + 0 = 0 + a = a, a⋅1=1⋅a=a\displaystyle a \cdot 1 = 1 \cdot a = a

을 만족하는 실수 0\displaystyle 0, 1\displaystyle 1이 존재한다. 이때 0\displaystyle 0을 덧셈에 대한 항등원, 1\displaystyle 1을 곱셈에 대한 항등원이라고 한다.

한편 임의의 실수 a\displaystyle a에 대하여

a+(−a)=(−a)+a=0\displaystyle a + ( - a ) = ( - a ) + a = 0, a⋅1a=1a⋅a=1(a≠0)\displaystyle a \cdot \frac{{1}}{a} = \frac{{1}}{a} \cdot a = 1 ( a \ne 0 )

을 만족하는 실수 −a\displaystyle - a, 1a(a≠0)\displaystyle \frac{{1}}{a} ( a \ne 0 )이 존재한다. 이때 −a\displaystyle - a를 a\displaystyle a의 덧셈에 대한 역원, 1a\displaystyle \frac{{1}}{a}을 a\displaystyle a의 곱셈에 대한 역원이라고 한다.

[나]

수학적 귀납법은 자연수 n\displaystyle n에 대한 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 모든 자연수에 대하여 성립함을 증명하는 한 방법으로, 다음 (i), (ii)를 증명하면 된다.

(i) p(1)\displaystyle p ( 1 )이 성립한다.

(ii) p(k)\displaystyle p ( k )가 성립한다고 가정하면 p(k+1)\displaystyle p ( k + 1 )이 성립한다.

자연수 n\displaystyle n에 대한 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 m\displaystyle m 이상의 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 성립함을 증명하려면 앞의 수학적 귀납법 (i)에서 p(1)\displaystyle p ( 1 ) 대신 p(m)\displaystyle p ( m )이 성립함을 보이면 된다.

[다]

일반적으로 수열에서 첫째항과 임의의 이웃하는 두 항 사이의 관계식이 주어지면 수열{an}\displaystyle \{a_n\}의 모든 항을 구할 수 있다. 이와 같이 a1\displaystyle a_{1}의 값과 an\displaystyle a_{n}에서 an+1\displaystyle a_{n+1}을 구할 수 있는 관계식을 이용하여 수열{an}\displaystyle \{a_n\}을 정의하는 것을 수열의 귀납적 정의라고 한다. 이때 an\displaystyle a_{n}과 an+1\displaystyle a_{n+1} 사이의 관계식을 점화식이라고 한다.

무한수열{an}\displaystyle \{a_n\}에서 n\displaystyle n이 한없이 커질 때, 일반항 an\displaystyle a_{n}의 값이 일정한 수 α\displaystyle \alpha에 한없이 가까워지면 수열{an}\displaystyle \{a_n\}은 α\displaystyle \alpha에 수렴한다고 한다. 이때 α\displaystyle \alpha를 무한수열{an}\displaystyle \{a_n\}의 극한값 또는 극한이라고 하고, 기호로 lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = \alpha와 같이 나타낸다.

[라]

함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에서 x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a에서 a+Δx\displaystyle a + \Delta x까지 변할 때, 이 함수의 평균변화율의 극한값 lim⁡Δx→0f(a+Δx)−f(a)Δx\displaystyle \lim_{\Delta x \to 0} {\frac{{f ( a + \Delta x ) - f ( a )}}{\Delta x}}이 존재하면, 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )는 x=a\displaystyle x = a에서 미분가능하다고 하며, 이 극한값을 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 x=a\displaystyle x = a에서의 미분계수 또는 순간변화율이라 한다. 또, 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )가 어떤 구간 안의 모든 점 x\displaystyle x에서 미분가능하면, 이 함수는 그 구간에서 미분가능하다고 한다.

[마]

닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [ a , b ]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f ( x )와 g(x)\displaystyle g ( x )가 f(x)≤g(x)\displaystyle f ( x ) \leq g ( x ) (a≤x≤b)\displaystyle ( a \leq x \leq b )일 때, 다음 부등식

∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} {f ( x ) d x} \leq \int_{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, b\displaystyle b에 관하여, 연산 ∗\displaystyle {\ast}을 다음과 같이 정의하자.

a∗b=aba+b\displaystyle {a \ast b = \frac{{a b}}{a + b}}

그리고 실수 a\displaystyle a, b\displaystyle b에 관하여, min⁡{a,b}\displaystyle {\min \left\{ a , b \right\}}를 a≤b\displaystyle {a \leq b}이면 min⁡{a,b}=a\displaystyle {\min \left\{ a , b \right\} = a}이고, a>b\displaystyle a > b이면 min⁡{a,b}=b\displaystyle {\min \left\{ a , b \right\} = b}라고 정의하자.

[논제 I-1]

양의 실수 a\displaystyle \mathrm{a}, b\displaystyle \mathrm{b}에 관하여, a∗b≤min⁡{a,b}\displaystyle {\mathrm{a} \ast \mathrm{b} \leq \min \left\{ \mathrm{a} , \mathrm{b} \right\}}이고 a∗b=(a−1+b−1)−1\displaystyle {\mathrm{a} \ast \mathrm{b} = ( \mathrm{a}^{- 1} + \mathrm{b}^{- 1} )^{- 1}}임을 보이고 그 근거를 논술하시오. (단, a−1\displaystyle {\mathrm{a}^{- 1}}는 곱셈에 대한 a\displaystyle {\mathrm{a}}의 역원을 나타낸다.) (8점)

[논제 I-2]

양의 실수 a1\displaystyle \mathrm{a}_{1}, a2\displaystyle \mathrm{a}_{2}, ⋯\displaystyle \cdots, an\displaystyle \mathrm{a}_{\mathrm{n}}에 연산 ∗\displaystyle \ast을 계속 적용하여,

a1∗a2\displaystyle {{\mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2}}}, (a1∗a2)∗a3\displaystyle {{( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3}}}, ((a1∗a2)∗a3)∗a4\displaystyle {( ( \mathrm{a}_{1} \ast \mathrm{a}_{2} ) \ast \mathrm{a}_{3} ) \ast \mathrm{a}_{4}}, ⋅\displaystyle \cdot ⋅\displaystyle \cdot ⋅\displaystyle \cdot, ((⋯((a1∗a2)∗a3)∗⋯ )∗an−1)∗an\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}}}}

을 얻을 수 있다. 이때 다음 등식이 2\displaystyle 2 이상의 모든 자연수 n\displaystyle \mathrm{n}에 대하여 성립함을 [논제 I-1]의 결과와 수학적 귀납법을 이용하여 논술하시오. (12점)

((⋯((a1∗a2)∗a3)∗⋯ )∗an−1)∗an=(a1−1+a2−1+⋯+an−1−1+an−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}}} (n≥2)\displaystyle {( \mathrm{n} \geq 2 )}

[논제 I-3]

양의 실수 x\displaystyle \mathrm{x}가 주어졌을 때, 수열{an}\displaystyle { \left\{ \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \right\}}을 다음과 같이 귀납적으로 정의하자.

a1=x−1\displaystyle {\mathrm{a}_{1} = \mathrm{x}^{- 1}}, an+1=an∗(x−1)n+1\displaystyle {{\mathrm{a}_{\mathrm{n} + 1} = \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \ast ( \mathrm{x}^{- 1} )^{\mathrm{n} + 1}}} (n=1,2,3,⋯ )\displaystyle {( \mathrm{n} = 1 , 2 , 3 , \cdots )}

위 수열{an}\displaystyle { \left\{ \mathrm{a}_{\mathrm{n}} \right\}}의 극한값을 x\displaystyle \mathrm{x}에 대응시키면 함수 f(x)\displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )}를 만들 수 있다. 이때 함수 f(x)\displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )}를 구하고, f(x)\displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )}의 미분가능성을 조사하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. (20점)

[논제 I-4]

구간 [0,π2]\displaystyle {\left[ 0 , \frac{{\pi}}{2} \right]}에서 함수 f(x)\displaystyle {\mathrm{f} ( \mathrm{x} )}

f(x)={0(x=0)(sin⁡x)∗(cos⁡x)(0<x<π2)0(x=π2)\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}}}}

에 관하여 다음 부등식

1−22≤∫0π2f(x)dx≤2−2\displaystyle {1 - \frac{{\sqrt{2}}}{2} \leq} \int_{{0}}^{{\frac{{\pi}}{2}}} {} {\mathrm{f} ( \mathrm{x} ) \mathrm{dx}\leq 2 - \sqrt{2}}

이 성립함을 논술하시오. (20점)

해설강의 준비중

[논제 I-1]

+2점 · a∗b≤a\displaystyle a\ast b\leq a이고 a∗b≤b\displaystyle a\ast b\leq b임을 수식으로 보여주면

a∗b=ab(a+b)=(aa+b)b=a(ba+b)\displaystyle a\ast b=\frac{ab}{(a+b)}=\left(\frac a{a+b}\right)b=a\left(\frac b{a+b}\right)이다.

위에서 aa+b<1\displaystyle \frac{{a}}{a + b} < 1이고 ba+b<1\displaystyle \frac{{b}}{a + b} < 1이므로, a∗b≤a\displaystyle a \ast b \leq a이고 a∗b≤b\displaystyle a \ast b \leq b이다.

+2점 · a∗b≤min⁡{a,b}\displaystyle a\ast b\leq\min\{a,b\}이다.

따라서 a∗b≤min⁡{a,b}\displaystyle a\ast b\leq\min\{a,b\}이다.

+2점 · 역원의 정의에 따라서, (a∗b)(a−1+b−1)=1\displaystyle (a\ast b)(a^{-1}+b^{-1})=1임을 보이면 된다.

역원의 정의에 따라서, (a∗b)(a−1+b−1)=1\displaystyle ( a \ast b ) ( a^{-1} + b^{-1} ) = 1 임을 보이자.

+2점 · 아래와 같은 계산과정이 있으면

(a∗b)(a−1+b−1)=(ab(a+b)−1)(a−1+b−1)=(ab(a+b)−1)((a+b)(ab)−1)=(ab(ab)−1)((a+b)−1(a+b))=1\displaystyle \begin{aligned}(a\ast b)(a^{-1}+b^{-1})&=(ab(a+b)^{-1})(a^{-1}+b^{-1})\\&=(ab(a+b)^{-1})((a+b)(ab)^{-1})\\&=(ab(ab)^{-1})((a+b)^{-1}(a+b))=1\end{aligned}

[논제 I-2]

먼저 bn=((⋯((a1∗a2)∗a3)∗⋯ )∗an−1)∗an\displaystyle b_{n} = ( ( \cdots ( ( a_{1} \ast a_{2} ) \ast a_{3} ) \ast \cdots ) \ast a_{n - 1} ) \ast a_{n}으로 두자.

+2점

n=2\displaystyle n = 2 일 때, [논제I-1]의 결과로부터 (명제)가 성립한다.

+2점

n=k\displaystyle n = k 일 때, (명제)가 성립한다고 가정하자.

+4점

그리고 bk=((⋯((a1∗a2)∗a3)∗⋯ )∗ak−1)∗ak\displaystyle b_{k} = ( ( \cdots ( ( a_{1} \ast a_{2} ) \ast a_{3} ) \ast \cdots ) \ast a_{k - 1} ) \ast a_{k}이므로,

bk+1=bk∗ak+1=(bk−1+ak+1−1)−1\displaystyle b_{k + 1} = b_{k} \ast a_{k + 1} = ( b_{k}^{-1} + a_{k + 1}^{-1} )^{-1}이다.

+4점

(명제)가 n=k\displaystyle n = k 일 때 성립하므로, bk−1=a1−1+a2−1+⋯+ak−1−1+ak−1\displaystyle b_{k}^{-1} = a_{1}^{-1} + a_{2}^{-1} + \cdots + a_{k - 1}^{-1} + a_{k}^{-1}이고

이를 이용하면 bk+1=(a1−1+a2−1+⋯+ak−1+ak+1−1)−1\displaystyle b_{k+1} = ( a_{1}^{-1} + a_{2}^{-1} + \cdots + a_{k}^{-1} + a_{k + 1}^{-1} )^{-1}이고, n=k+1\displaystyle n = k + 1 일 때 (명제)가 성립한다.

[논제 I-3]

+3점

[논제I-2]의 결과를 이용하면, an=(x+x2+⋯+xn−1+xn)−1\displaystyle a_{n} = ( x + x^{2} + \cdots + x^{n - 1} + x^{n} )^{-1}이다.

+2점

x=1\displaystyle x = 1 일 때, an=1n\displaystyle a_{n} = \frac{1}{n}이다.

+2점

x≠1\displaystyle x \neq 1 일 때, x+x2+⋯+xn−1+xn=x(1−xn)1−x\displaystyle x + x^{2} + \cdots + x^{n - 1} + x^{n} = \frac{{x ( 1 - x^{n} )}}{1 - x}이므로, an=1−xx(1−xn)\displaystyle a_{n} = \frac{{1 - x}}{x ( 1 - x^{n} )}이다.

+3점

수열{an}\displaystyle \{a_n\}의 극한값을 계산하면

x=1\displaystyle x = 1 일 때, f(x)=lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞1n=0\displaystyle f ( x ) = \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0

0<x<1\displaystyle 0 < x < 1 일 때, f(x)=lim⁡n→∞an=1−xx\displaystyle f ( x ) = \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = \frac{{1 - x}}{x}

x>1\displaystyle x > 1 일 때, f(x)=lim⁡n→∞an=0\displaystyle f ( x ) = \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = 0 이다.

+4점 · 함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 0<x<1\displaystyle 0 < x < 1 구간에서 분모가 0이 아닌 유리함수이므로 미분가능하고, x>1\displaystyle x > 1 구간에서 상수함수이므로 미분가능하다.

함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 0<x<1\displaystyle 0 < x < 1 구간에서 분모가 0이 아닌 유리함수이므로 미분가능하고, x>1\displaystyle x > 1에서 상수함수이므로 미분가능하다.

x=1\displaystyle x = 1에서 미분가능한지의 여부를 보이기 위해서 다음 극한값들을 구하여보면

+2점

lim⁡h→−0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→−01−(1+h)1+h−0h=lim⁡h→−0−11+h=−1\displaystyle \lim_{h \to - 0} {\frac{{f ( 1 + h ) - f ( 1 )}}{h}} = \lim_{h \to - 0} {} \frac{{\frac{{1 - ( 1 + h )}}{1 + h} - 0}}{h} = \lim_{h \to - 0} {} \frac{{- 1}}{1 + h} = - 1

+2점

lim⁡h→+0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→+00−0h=0\displaystyle \lim_{h \to + 0} {\frac{{f ( 1 + h ) - f ( 1 )}}{h}} = \lim_{h \to + 0} {\frac{{0 - 0}}{h}} = 0

+2점 · x=1\displaystyle x = 1에서 좌 극한값과 우 극한값이 다르기 때문에 극한값은 존재하지 않는다.

이고, 위에서 좌 극한값과 우 극한값이 다르기 때문에 극한값은 존재하지 않는다. 따라서 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=1\displaystyle x = 1에서 미분가능하지 않다.

[논제 I-4]

+6점

[논제I-1]의 결과를 이용하면,

f(x)≤sin⁡x\displaystyle f ( x ) \le \sin x, (0≤x≤π4)\displaystyle ( 0 \le x \le \frac{\pi}{4} ),f(x)≤cos⁡x\displaystyle f ( x ) \le \cos x, (π4≤x≤π2)\displaystyle ( \frac{\pi}{4} \le x \le \frac{\pi}{2} )

이다.

+6점

그리고 0≤x≤π4\displaystyle 0 \le x \le \frac{\pi}{4}에서 sin⁡x≤cos⁡x\displaystyle \sin x \le \cos x이고, π4≤x≤π2\displaystyle \frac{\pi}{4} \le x \le \frac{\pi}{2}에서 cos⁡x≤sin⁡x\displaystyle \cos x \le \sin x이므로,

sin⁡x+cos⁡x≤2cos⁡x\displaystyle \sin x + \cos x \le 2 \cos x (0≤x≤π4\displaystyle 0 \le x \le \frac{\pi}{4}) 이고 sin⁡x+cos⁡x≤2sin⁡x\displaystyle \sin x + \cos x \le 2 \sin x (π4≤x≤π2\displaystyle \frac{\pi}{4} \le x \le \frac{\pi}{2})

이다. 이를 이용하면, 각 구간에서 12≤cos⁡xsin⁡x+cos⁡x\displaystyle \frac12\le\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}, 12≤sin⁡xsin⁡x+cos⁡x\displaystyle \frac12\le\frac{\sin x}{\sin x+\cos x}이므로

0≤x≤π4\displaystyle 0 \le x \le \frac{\pi}{4}에서 12 sin⁡x≤f(x)\displaystyle \frac{{1}}{2} {\ \sin} x \le f ( x ) 이고, π4≤x≤π2\displaystyle \frac{\pi}{4} \le x \leq \frac{\pi}{2}에서 12 cos⁡x≤f(x)\displaystyle \frac{{1}}{2} {\ \cos} x \leq f ( x )이다.

따라서

+4점 · ∫0π2f(x) dx≤2−2\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}f(x)\,dx\leq2-\sqrt2

∫0π2f(x)dx=∫0π4f(x)dx+∫π4π2f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{\frac{{\pi}}{2}} {f ( x ) d x} = \int_{0}^{\frac{{\pi}}{4}} {f ( x ) d x} + \int_{\frac{{\pi}}{4}}^{\frac{{\pi}}{2}} {f ( x ) d x} ≤∫0π4sin⁡xdx+∫π4π2cos⁡xdx\displaystyle \leq \int_{0}^{\frac{{\pi}}{4}} {\sin x d x} + \int_{\frac{{\pi}}{4}}^{\frac{{\pi}}{2}} {\cos x d x} =2−2\displaystyle = 2 - \sqrt{2}이고,

+4점 · ∫0π2f(x) dx≥1−22\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}f(x)\,dx\geq1-\frac{\sqrt2}{2}

∫0π2f(x)dx=∫0π4f(x)dx+∫π4π2f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{\frac{{\pi}}{2}} {f ( x ) d x} = \int_{0}^{\frac{{\pi}}{4}} {f ( x ) d x} + \int_{\frac{{\pi}}{4}}^{\frac{{\pi}}{2}} {f ( x ) d x} ≥∫0π412 sin⁡xdx+∫π4π212 cos⁡xdx=1−22\displaystyle \geq \int_{0}^{\frac{{\pi}}{4}} {\frac{{1}}{2} {\ \sin} x d x} + \int_{\frac{{\pi}}{4}}^{\frac{{\pi}}{2}} {\frac{{1}}{2} {\ \cos} x d x} = 1 - \frac{\sqrt{2}}{2} 이므로, 부등식이 성립한다.

[논제 I-1] (위의 언급이 없더라도 아래의 계산과정만 있는 경우도 4점을 준다)

[논제 I-4] [※ 계산과정 없이 아래 결과를 구한 경우, 각 1점씩만 배점]

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