수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[가] 실수 m,n\displaystyle m,n과 양의 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여, ab=ab, a2b=ab, ma+na=(m+n)a, ma−na=(m−n)a\displaystyle \sqrt a\sqrt b=\sqrt{ab},\ \sqrt{a^2b}=a\sqrt b,\ m\sqrt a+n\sqrt a=(m+n)\sqrt a,\ m\sqrt a-n\sqrt a=(m-n)\sqrt a이다. 유리수 k,l,s,t\displaystyle k,l,s,t과 무리수 p\displaystyle \sqrt p에 대하여 k+lp=s+tp\displaystyle k+l\sqrt p=s+t\sqrt p이기 위한 필요충분조건은 k=s, l=t\displaystyle k=s,\ l=t이다.

[나] 쌍곡선의 방정식

(1) 두 초점 F(c,0),F′(−c,0)\displaystyle F(c,0),F^{\prime}(-c,0)으로부터 거리의 차가 2a (c>a>0)\displaystyle 2a\ (c>a>0)인 쌍곡선의 방정식은 x2a2−y2b2=1 (b2=c2−a2)\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\ (b^2=c^2-a^2).

(2) 두 초점 F(0,c),F′(0,−c)\displaystyle F(0,c),F^{\prime}(0,-c)으로부터 거리의 차가 2b (c>b>0)\displaystyle 2b\ (c>b>0)인 쌍곡선의 방정식은 x2a2−y2b2=−1 (a2=c2−b2)\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=-1\ (a^2=c^2-b^2).

(1), (2)의 경우 점근선의 방정식은 y=±bax\displaystyle y = \pm \frac{b}{a} x이다.

[다] 함수 f:X→Y\displaystyle f : X \to Y에서 정의역 X\displaystyle X의 임의의 두 원소 x1\displaystyle x_{1}, x2\displaystyle x_{2}에 대하여 x1≠x2\displaystyle x_{1} \ne x_{2}이면 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f ( x_{1} ) \ne f ( x_{2} )일 때, 함수 f\displaystyle f를 일대일함수라고 한다. 특히 함수 f:X→Y\displaystyle f : X \to Y에서 (ⅰ) 치역과 공역이 같고 (ⅱ) 함수 f\displaystyle f가 일대일함수일 때, 이 함수 f\displaystyle f를 일대일 대응이라고 한다.

[라] 처음 몇 개의 항과 이웃하는 여러 항 사이의 관계식으로 수열을 정의하는 것을 수열의 귀납적 정의라 한다. 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 성립함을 증명하려면 다음 두 가지를 증명하면 된다.

1. n=1\displaystyle n = 1일 때, 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 성립한다.

2. n=k\displaystyle n = k일 때, 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 성립한다고 가정하면 n=k+1\displaystyle n = k + 1일 때도 명제 p(n)\displaystyle p ( n )이 성립한다.

[마] 수열의 극한에 대한 기본 성질수열 {an}\displaystyle \left\{ a_{n} \right\}, {bn}\displaystyle \left\{ b_{n} \right\}이 모두 수렴하고, lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n} = \alpha, lim⁡n→∞bn=β\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_{n} = \beta일 때

(1) lim⁡n→∞can=clim⁡n→∞an=cα\displaystyle \lim_{n\to\infty}ca_n=c\lim_{n\to\infty}a_n=c\alpha (c\displaystyle c는 상수)

(2) lim⁡n→∞(an+bn)=lim⁡n→∞an+lim⁡n→∞bn=α+β\displaystyle \lim_{n \to \infty} ( a_{n} + b_{n} ) = \lim_{n \to \infty} a_{n} + \lim_{n \to \infty} b_{n} = \alpha + \beta

(3) lim⁡n→∞(an−bn)=lim⁡n→∞an−lim⁡n→∞bn=α−β\displaystyle \lim_{n \to \infty} ( a_{n} - b_{n} ) = \lim_{n \to \infty} a_{n} - \lim_{n \to \infty} b_{n} = \alpha - \beta

(4) lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞an⋅lim⁡n→∞bn=αβ\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n} b_{n} = \lim_{n \to \infty} a_{n} \cdot \lim_{n \to \infty} b_{n} = \alpha \beta

(5) lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞anlim⁡n→∞bn=αβ\displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n}}{b_{n}} = \frac{{\lim_{n \to \infty} a_{n}}}{\lim_{n \to \infty} b_{n}} = \frac{\alpha}{\beta} (단, bn≠0\displaystyle b_{n} \ne 0, β≠0\displaystyle \beta \ne 0)

[논제 Ⅰ-1] 실수의 부분집합 A={a=y+x3∣x,y는 정수}\displaystyle A=\{a=y+x\sqrt3\mid x,y\text{는 정수}\}에 포함되는 임의의 원소 a,b\displaystyle a,b에 대하여 a+b\displaystyle a+b와 ab\displaystyle ab도 A\displaystyle A에 포함되며 A\displaystyle A의 각 원소 a=y+x3\displaystyle a=y+x\sqrt3에 대하여 a‾=y−x3\displaystyle \overline a=y-x\sqrt3이라 정의하면 a‾\displaystyle \overline a도 A\displaystyle A에 포함된다. A\displaystyle A의 임의의 원소 a\displaystyle a와 b=z+w3\displaystyle b=z+w\sqrt3에 대하여 (a‾)‾=a, a+b‾=a‾+b‾, a−b‾=a‾−b‾, ab‾=a‾ b‾\displaystyle \overline{(\overline a)}=a,\ \overline{a+b}=\overline a+\overline b,\ \overline{a-b}=\overline a-\overline b,\ \overline{ab}=\overline a\,\overline b임을 논술하시오. (10점)

[논제 Ⅰ-2] 쌍곡선 y2−3x2=1\displaystyle y^2-3x^2=1의 그래프 위의 점들 중 정수좌표를 가지는 점들의 집합을 L={(x,y)∣y2−3x2=1, x,y는 정수}\displaystyle L=\{(x,y)\mid y^2-3x^2=1,\ x,y\text{는 정수}\}이라 하고, [논제 Ⅰ-1]에서 정의한 집합 A\displaystyle A의 원소 a\displaystyle a 중 aa‾=1\displaystyle a\overline a=1을 만족하는 원소들로 이루어진 A\displaystyle A의 부분집합을 B={a∣a∈A, aa‾=1}\displaystyle B=\{a\mid a\in A,\ a\overline a=1\}라 하자.

1) f((x,y))=y+x3\displaystyle f ( ( x , y ) ) = y + x \sqrt{3}으로 정의된 함수 f:L→B\displaystyle f : L \to B가 L\displaystyle L과 B\displaystyle B 사이의 일대일 대응임을 논술하시오. (10점)

2) B\displaystyle B의 임의의 원소 a=y+x3\displaystyle a = y + x \sqrt{3}와 b=z+w3\displaystyle b = z + w \sqrt{3}에 대하여 a‾\displaystyle \overline{a}, ab\displaystyle a b도 B\displaystyle B에 포함됨을 보이시오. 또한 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an\displaystyle a^{n}도 B\displaystyle B에 포함됨을 논술하시오. (20점)

3) 2+3\displaystyle 2 + \sqrt{3}은 B\displaystyle B에 포함되고, [논제 Ⅰ-2]의 (2)에 의하면, 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 (2+3)n\displaystyle ( 2 + \sqrt{3} )^{n}도 B\displaystyle B에 포함된다. 따라서 yn+xn3=(2+3)n\displaystyle y_{n} + x_{n} \sqrt{3} = ( 2 + \sqrt{3} )^{n}이라 정의하면 (xn,yn)\displaystyle ( x_{n} , y_{n} )은 쌍곡선 y2−3x2=1\displaystyle y^{2} - 3 x^{2} = 1의 그래프 위의 제1\displaystyle 1사분면에 위치한 자연수 좌표점이다. 각 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an=ynxn\displaystyle a_{n} = \frac{y_{n}}{x_{n}}이라 정의한 수열 {an}\displaystyle \left\{ a_{n} \right\}이 수렴할 때, 수렴 값 lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n} = \alpha를 구하고 이를 쌍곡선의 점근선과 관련지어 논술하시오. (20점)

해설강의 준비중

[논제 Ⅰ-1]a=y+x3, b=z+w3\displaystyle a=y+x\sqrt3,\ b=z+w\sqrt3이라 하면(단, x,y,z,w\displaystyle x,y,z,w는 정수), a‾=y−x3, b‾=z−w3\displaystyle \overline a=y-x\sqrt3,\ \overline b=z-w\sqrt3이고, 제시문 [가]에 의하여

+2점

(a‾)‾=y−x3‾=y−(−x)3=y+x3=a\displaystyle \overline{(\overline a)}=\overline{y-x\sqrt3}=y-(-x)\sqrt3=y+x\sqrt3=a

+2점

a+b‾=y+z+(x+w)3‾=y+z−(x+w)3=y−x3+z−w3=a‾+b‾\displaystyle \begin{aligned}\overline{a+b}&=\overline{y+z+(x+w)\sqrt3}=y+z-(x+w)\sqrt3\\&=y-x\sqrt3+z-w\sqrt3=\overline a+\overline b\end{aligned}

+2점

a−b‾=y−z+(x−w)3‾=y−z+(−x+w)3=y−x3−(z−w3)=a‾−b‾\displaystyle \begin{aligned}\overline{a-b}&=\overline{y-z+(x-w)\sqrt3}=y-z+(-x+w)\sqrt3\\&=y-x\sqrt3-(z-w\sqrt3)=\overline a-\overline b\end{aligned}

+4점

ab‾=(y+x3)(z+w3)‾=yz+3xw+(yw+xz)3‾=yz+3xw−(yw+xz)3=(y−x3)(z−w3)=a‾ b‾\displaystyle \begin{aligned}\overline{ab}&=\overline{(y+x\sqrt3)(z+w\sqrt3)}=\overline{yz+3xw+(yw+xz)\sqrt3}\\&=yz+3xw-(yw+xz)\sqrt3=(y-x\sqrt3)(z-w\sqrt3)=\overline a\,\overline b\end{aligned}

+2점 · (x,y)≠(z,w)\displaystyle (x,y)\ne(z,w)이면 x≠z\displaystyle x\ne z혹은 y≠w\displaystyle y\ne w임을 언급

[논제 Ⅰ-2](1) L\displaystyle L의 두 원소 (x,y)\displaystyle (x,y)와 (z,w)\displaystyle (z,w)에 대하여 (x,y)≠(z,w)\displaystyle (x,y)\ne(z,w)이면 x≠z\displaystyle x\ne z 또는 y≠w\displaystyle y\ne w이므로,

+2점 · y+x3≠w+z3\displaystyle y+x\sqrt3\ne w+z\sqrt3임을 설명하고 f((x,y))≠f((z,w))\displaystyle f((x,y))\ne f((z,w))언급.

제시문 [가]에 의해 y+x3≠w+z3\displaystyle y+x\sqrt3\ne w+z\sqrt3이다. f((x,y))≠f((z,w))\displaystyle f((x,y))\ne f((z,w))이므로 제시문 [다]에 의하여 f((x,y))=y+x3\displaystyle f((x,y))=y+x\sqrt3는 일대일 함수이다.

+3점 · aa‾=(y+x3)(y−x3)=y2−3x2=1\displaystyle a\overline a=(y+x\sqrt3)(y-x\sqrt3)=y^2-3x^2=1이므로 (x,y)\displaystyle (x,y)가 쌍곡선위의 정수좌표점.

함수 f\displaystyle f의 공역 B\displaystyle B에 있는 임의의 원소 y+x3\displaystyle y+x\sqrt3에 대하여 aa‾=(y+x3)(y−x3)=y2−3x2=1\displaystyle a\overline a=(y+x\sqrt3)(y-x\sqrt3)=y^2-3x^2=1이므로 (x,y)\displaystyle (x,y)는 쌍곡선위의 정수좌표점이다.

+3점 · f((x,y))=y+x3\displaystyle f((x,y))=y+x\sqrt3인 원소 (x,y)\displaystyle (x,y)가 L\displaystyle L에 존재함으로 f\displaystyle f의 공역과 치역이 같음 언급.

따라서 f((x,y))=y+x3\displaystyle f((x,y))=y+x\sqrt3인 원소 (x,y)\displaystyle (x,y)가 L\displaystyle L에 존재하므로 y+x3\displaystyle y+x\sqrt3은 f\displaystyle f의 치역에 속한다. f\displaystyle f의 공역과 치역이 같고 일대일함수이므로 제시문 [다]에 의하여 f((x,y))=y+x3\displaystyle f((x,y))=y+x\sqrt3는 일대일 대응이다.

+4점 · a‾(a‾)‾=a‾a=(y−x3)(y+x3)=1\displaystyle \overline a\overline{(\overline a)}=\overline aa=(y-x\sqrt3)(y+x\sqrt3)=1 방정식을 언급.

(2) B\displaystyle B의 원소 a=y+x3\displaystyle a=y+x\sqrt3에 대하여, a‾=y−x3\displaystyle \overline a=y-x\sqrt3이고 aa‾=(y+x3)(y−x3)=1\displaystyle a\overline a=(y+x\sqrt3)(y-x\sqrt3)=1이다. [논제 Ⅰ-1]에서 (a‾)‾=a\displaystyle \overline{(\overline a)}=a이므로 a‾(a‾)‾=a‾a=(y−x3)(y+x3)=1\displaystyle \overline a\overline{(\overline a)}=\overline aa=(y-x\sqrt3)(y+x\sqrt3)=1이고, 따라서 a‾∈B\displaystyle \overline a\in B이다.

+3점

B\displaystyle B의 원소 a=y+x3\displaystyle a=y+x\sqrt3와 b=z+w3\displaystyle b=z+w\sqrt3에 대하여 [논제 Ⅰ-1]의 ab‾=a‾ b‾\displaystyle \overline{ab}=\overline a\,\overline b에 의하면 abab‾=aba‾ b‾=aa‾bb‾\displaystyle ab\overline{ab}=ab\overline a\,\overline b=a\overline ab\overline b이다.

+3점

한편 a,b∈B\displaystyle a,b\in B이므로 aa‾=1=bb‾\displaystyle a\overline a=1=b\overline b이고 abab‾=aa‾bb‾=1\displaystyle ab\overline{ab}=a\overline ab\overline b=1이다. 따라서 ab∈B\displaystyle ab\in B이다.

+2점 · n=1\displaystyle n=1일 때 a1=a\displaystyle a^1=a이므로 B\displaystyle B에 포함 언급

n=1\displaystyle n=1일 때 a1=a\displaystyle a^1=a이므로 B\displaystyle B에 포함된다.

+3점 · 자연수 k\displaystyle k에 대하여 ak∈B\displaystyle a^k\in B임을 가정

임의의 자연수 k\displaystyle k에 대하여 ak∈B\displaystyle a^k\in B임을 가정하면 ak(ak)‾=1\displaystyle a^k\overline{(a^k)}=1이다.

+5점 · ak+1(ak+1)‾=akaaka‾=akaak‾a‾=akak‾aa‾=1×1=1\displaystyle a^{k+1}\overline{(a^{k+1})}=a^ka\overline{a^ka}=a^ka\overline{a^k}\overline a=a^k\overline{a^k}a\overline a=1\times1=1이므로 ak+1∈B\displaystyle a^{k+1}\in B

또한 k+1\displaystyle k+1에 대하여 ak+1(ak+1)‾=akaaka‾=akaak‾a‾=akak‾aa‾=1×1=1\displaystyle a^{k+1}\overline{(a^{k+1})}=a^ka\overline{a^ka}=a^ka\overline{a^k}\overline a=a^k\overline{a^k}a\overline a=1\times1=1이므로 ak+1∈B\displaystyle a^{k+1}\in B이다. 따라서, 제시문 [라]에 의해 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an\displaystyle a^n도 B\displaystyle B에 포함된다.

+5점 · yn+1+xn+13=(2+3)n+1=(2yn+3xn)+(yn+2xn)3\displaystyle y_{n+1}+x_{n+1}\sqrt3=(2+\sqrt3)^{n+1}=(2y_n+3x_n)+(y_n+2x_n)\sqrt3으로 부터 yn+1=2yn+3xn, xn+1=yn+2xn\displaystyle y_{n+1}=2y_n+3x_n,\ x_{n+1}=y_n+2x_n 설명

(3) 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여yn+1+xn+13=(2+3)n+1=(2+3)n(2+3)=(yn+xn3)(2+3)=(2yn+3xn)+(yn+2xn)3\displaystyle \begin{aligned}y_{n+1}+x_{n+1}\sqrt3&=(2+\sqrt3)^{n+1}=(2+\sqrt3)^n(2+\sqrt3)=(y_n+x_n\sqrt3)(2+\sqrt3)\\&=(2y_n+3x_n)+(y_n+2x_n)\sqrt3\end{aligned}이므로 yn+1=2yn+3xn, xn+1=yn+2xn\displaystyle y_{n+1}=2y_n+3x_n,\ x_{n+1}=y_n+2x_n이다.

+5점 · an+1=2an+3an+2\displaystyle a_{n+1}=\frac{2a_n+3}{a_n+2}으로부터 an+1an+2an+1=2an+3\displaystyle a_{n+1}a_n+2a_{n+1}=2a_n+3 언급

an+1=yn+1xn+1=2yn+3xnyn+2xn=2ynxn+3ynxn+2=2an+3an+2\displaystyle a_{n+1}=\frac{y_{n+1}}{x_{n+1}}=\frac{2y_n+3x_n}{y_n+2x_n}=\frac{2\frac{y_n}{x_n}+3}{\frac{y_n}{x_n}+2}=\frac{2a_n+3}{a_n+2}이므로 an+1an+2an+1=2an+3\displaystyle a_{n+1}a_n+2a_{n+1}=2a_n+3 …… ① 이다.

+4점 · lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\alpha이므로 α2=3\displaystyle \alpha^2=3

한편 수열 an\displaystyle a_n이 수렴하므로 lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\alpha라 하면, 제시문 [마]에 의해, 등식 ①의 좌변의 극한은lim⁡n→∞(an+1an+2an+1)=lim⁡n→∞an+1an+lim⁡n→∞2an+1=lim⁡n→∞anlim⁡n→∞an+1+2lim⁡n→∞an+1=α2+2α\displaystyle \lim_{n\to\infty}(a_{n+1}a_n+2a_{n+1})=\lim_{n\to\infty}a_{n+1}a_n+\lim_{n\to\infty}2a_{n+1}=\lim_{n\to\infty}a_n\lim_{n\to\infty}a_{n+1}+2\lim_{n\to\infty}a_{n+1}=\alpha^2+2\alpha이고,등식 ①의 우변의 극한은 lim⁡n→∞(2an+3)=2lim⁡n→∞an+lim⁡n→∞3=2α+3\displaystyle \lim_{n\to\infty}(2a_n+3)=2\lim_{n\to\infty}a_n+\lim_{n\to\infty}3=2\alpha+3이다. 따라서 α2=3\displaystyle \alpha^2=3이며,

+3점 · 수열 an\displaystyle a_n이 양수의 수열이므로 α=3\displaystyle \alpha=\sqrt3.

수열 an\displaystyle a_n이 양수의 수열 이므로 α=3\displaystyle \alpha=\sqrt3이다.

+3점 · 수열 an\displaystyle a_n이 쌍곡선 위 자연수좌표점 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 비율이므로 쌍곡선의 점근선 중 양수기울기를 가지는 y=3x\displaystyle y=\sqrt3x의 기울기 설명.

수열 an=ynxn\displaystyle a_n=\frac{y_n}{x_n}은 쌍곡선 y2−3x2=1\displaystyle y^2-3x^2=1의 그래프 위의 제1사분면에 위치한 자연수 좌표점 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 비율로 이루어진 수열이다. 따라서 그 극한은 쌍곡선 y2−3x2=1\displaystyle y^2-3x^2=1에서 기울기가 양수인 점근선 직선 y=3x\displaystyle y=\sqrt3x의 기울기 3\displaystyle \sqrt3이다.

Correction. 대학 채점표의 머리글에는 ‘40점 만점’이라고 적혀 있지만, 문제지의 총점과 세부 채점기준의 합계는 60점이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(사소한 계산 실수는 재량에 따라 감점)

[논제 Ⅰ-1] (각 식에 오류가 없으면 중간 항의 생략이 있어도 채점자의 판단에 따라 만점)

[논제 Ⅰ-2] (1) (일대일 대응 함수의 정의에 맞게 설명하면 채점자의 재량에 따라 배점)

* an\displaystyle a^n이 B\displaystyle B에 포함됨을 수학적 귀납법을 이용 안하고 설명하는 경우 최고 5점 배점.

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