수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

【제시문 4】

(가) 함수 f(x)=x1+x\displaystyle f(x)=\frac{x}{1+x}는 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 증가함수이다. 즉 임의의 두 수 x1\displaystyle x_1, x2\displaystyle x_2가 x1≤x2\displaystyle x_1\le x_2일 때 f(x1)≤f(x2)\displaystyle f(x_1)\le f(x_2)이다.

(나) 두 점 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q 사이의 거리를 d(P,Q)\displaystyle d(P,Q)라고 할 때, 서로 다른 세 점 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q, R\displaystyle R로 이루어진 [그림 1]의 삼각형에서 세 변의 길이에 대하여 다음 삼각부등식 (A)가 성립한다.d(P,R)≤d(P,Q)+d(Q,R)(A)\displaystyle d(P,R)\le d(P,Q)+d(Q,R)\qquad\text{(A)}

세 점 P, Q, R로 이루어진 삼각형
[그림 1]

위의 삼각부등식은 2차원 혹은 3차원 공간뿐만 아니라 일반적인 집합에서 정의된 거리에도 성립해야 한다. 예를 들어, 집합 S\displaystyle S가 무한수열들의 모임이라면 임의의 세 무한수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}, {bk}\displaystyle \{b_k\}, {ck}\displaystyle \{c_k\} 사이의 거리에서도 아래의 삼각부등식 (B)는 성립해야 한다.d({ak},{ck})≤d({ak},{bk})+d({bk},{ck})(B)\displaystyle d(\{a_k\},\{c_k\})\le d(\{a_k\},\{b_k\})+d(\{b_k\},\{c_k\})\qquad\text{(B)}

(다) 수렴하는 무한급수 ∑k=1∞dk\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}d_k와 ∑k=1∞ek\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}e_k에 대하여 다음 등식이 성립한다.∑k=1∞(dk+ek)=∑k=1∞dk+∑k=1∞ek\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}(d_k+e_k)=\sum_{k=1}^{\infty}d_k+\sum_{k=1}^{\infty}e_k또한 각 항들이 0≤dk≤ek\displaystyle 0\le d_k\le e_k이면 다음 부등식이 성립한다.∑k=1∞dk≤∑k=1∞ek\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}d_k\le\sum_{k=1}^{\infty}e_k실수 r\displaystyle r의 크기가 1보다 작고 무한수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}의 모든 항들의 크기가 특정한 양수 Z\displaystyle Z보다 작으면, 무한급수 ∑k=1∞rkak\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}r^ka_k는 수렴한다.

【물음 4】

(1) 임의의 두 실수 s\displaystyle s, t\displaystyle t에 대하여 다음 부등식 (C)와 (D)가 성립한다.∣s+t∣1+∣s+t∣≤∣s∣+∣t∣1+∣s∣+∣t∣(C)\displaystyle \frac{|s+t|}{1+|s+t|}\le\frac{|s|+|t|}{1+|s|+|t|}\qquad\text{(C)}∣s∣+∣t∣1+∣s∣+∣t∣≤∣s∣1+∣s∣+∣t∣1+∣t∣(D)\displaystyle \frac{|s|+|t|}{1+|s|+|t|}\le\frac{|s|}{1+|s|}+\frac{|t|}{1+|t|}\qquad\text{(D)}부등식 (C)가 성립함을 제시문 (가)에 근거하여 간략히 보이시오. (35점)

(2) 세 무한수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}, {bk}\displaystyle \{b_k\}, {ck}\displaystyle \{c_k\}의 각 항들에 대하여 다음 부등식 (E)가 성립한다.∣ak−ck∣1+∣ak−ck∣≤∣ak−bk∣1+∣ak−bk∣+∣bk−ck∣1+∣bk−ck∣(E)\displaystyle \frac{|a_k-c_k|}{1+|a_k-c_k|}\le\frac{|a_k-b_k|}{1+|a_k-b_k|}+\frac{|b_k-c_k|}{1+|b_k-c_k|}\qquad\text{(E)}이를 부등식 (C)와 (D)에 근거하여 간략히 보이시오. (35점)

(3) 제시문 (나)의 집합 S\displaystyle S에 있는 임의의 두 무한수열 {mk}\displaystyle \{m_k\}, {nk}\displaystyle \{n_k\} 사이의 거리를 식 (F)와 같이 정의하면d({mk},{nk})=∑k=1∞110k∣mk−nk∣1+∣mk−nk∣(F)\displaystyle d(\{m_k\},\{n_k\})=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{10^k}\frac{|m_k-n_k|}{1+|m_k-n_k|}\qquad\text{(F)}세 무한수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}, {bk}\displaystyle \{b_k\}, {ck}\displaystyle \{c_k\} 사이에 삼각부등식 (B)가 성립한다. 이를 제시문 (다)와 부등식 (E)에 근거하여 간략히 보이시오. (30점)

해설강의 준비중
+35점

(1) ∣s+t∣≤∣s∣+∣t∣\displaystyle |s+t|\le |s|+|t|이다. 제시문 (가)에서 f(x)=x1+x\displaystyle f(x)=\frac{x}{1+x}는 증가함수이므로 다음이 성립한다.∣s+t∣1+∣s+t∣=f(∣s+t∣)≤f(∣s∣+∣t∣)=∣s∣+∣t∣1+∣s∣+∣t∣\displaystyle \frac{|s+t|}{1+|s+t|}=f(|s+t|)\le f(|s|+|t|)=\frac{|s|+|t|}{1+|s|+|t|}

+35점

(2) s=ak−bk\displaystyle s=a_k-b_k, t=bk−ck\displaystyle t=b_k-c_k라 두면 s+t=ak−ck\displaystyle s+t=a_k-c_k이다. 따라서 부등식 (C)와 (D)에 의해∣ak−ck∣1+∣ak−ck∣=∣s+t∣1+∣s+t∣≤∣s∣1+∣s∣+∣t∣1+∣t∣=∣ak−bk∣1+∣ak−bk∣+∣bk−ck∣1+∣bk−ck∣\displaystyle \frac{|a_k-c_k|}{1+|a_k-c_k|}=\frac{|s+t|}{1+|s+t|}\le\frac{|s|}{1+|s|}+\frac{|t|}{1+|t|}=\frac{|a_k-b_k|}{1+|a_k-b_k|}+\frac{|b_k-c_k|}{1+|b_k-c_k|} 이다.

+30점

(3) 부등식 (E)의 양변에 110k\displaystyle \frac{1}{10^k}를 곱하면, 다음의 부등식을 얻을 수 있다.110k∣ak−ck∣1+∣ak−ck∣≤110k∣ak−bk∣1+∣ak−bk∣+110k∣bk−ck∣1+∣bk−ck∣\displaystyle \frac{1}{10^k}\frac{|a_k-c_k|}{1+|a_k-c_k|}\le\frac{1}{10^k}\frac{|a_k-b_k|}{1+|a_k-b_k|}+\frac{1}{10^k}\frac{|b_k-c_k|}{1+|b_k-c_k|}110<1\displaystyle \frac{1}{10}<1이고, 임의 실수 a\displaystyle a에 대해 ∣a∣1+∣a∣<1\displaystyle \frac{|a|}{1+|a|}<1이므로, 제시문(다)로부터 위 부등식 각 항의 무한합은 수렴한다. 따라서 제시문 (다)로부터 다음이 성립한다.d({ak},{ck})=∑k=1∞110k∣ak−ck∣1+∣ak−ck∣≤∑k=1∞110k∣ak−bk∣1+∣ak−bk∣+∑k=1∞110k∣bk−ck∣1+∣bk−ck∣=d({ak},{bk})+d({bk},{ck})\displaystyle d(\{a_k\},\{c_k\})=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{10^k}\frac{|a_k-c_k|}{1+|a_k-c_k|}\le\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{10^k}\frac{|a_k-b_k|}{1+|a_k-b_k|}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{10^k}\frac{|b_k-c_k|}{1+|b_k-c_k|}=d(\{a_k\},\{b_k\})+d(\{b_k\},\{c_k\})

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