수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

(다)무한개의 집합 A1,A2,A3,⋯\displaystyle A_1,A_2,A_3,\cdots을 생각하자. 어떤 자연수 n\displaystyle n에 대하여 x∈An\displaystyle x\in A_n을 만족하는 x\displaystyle x들의 모임을 집합 A1,A2,A3,⋯\displaystyle A_1,A_2,A_3,\cdots의 합집합이라 하고 이 집합을 ⋃n=1∞An\displaystyle \bigcup_{n=1}^{\infty}A_n과 같이 나타낸다. 즉,⋃n=1∞An={x∣어떤 자연수 n에 대하여 x∈An}\displaystyle \bigcup_{n=1}^{\infty}A_n=\{x\mid\text{어떤 자연수 }n\text{에 대하여 }x\in A_n\}이다. 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 x∈An\displaystyle x\in A_n을 만족하는 x\displaystyle x들의 모임을 집합 A1,A2,A3,⋯\displaystyle A_1,A_2,A_3,\cdots의 교집합이라 하고 이 집합을 ⋂n=1∞An\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty}A_n과 같이 나타낸다. 즉,⋂n=1∞An={x∣모든 자연수 n에 대하여 x∈An}\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty}A_n=\{x\mid\text{모든 자연수 }n\text{에 대하여 }x\in A_n\}이다.

논제 2(필수)

어떤 집합 X\displaystyle X에 대하여 X\displaystyle X의 모든 부분집합들의 집합을 Y\displaystyle Y라 하자. 집합 X\displaystyle X에서 X\displaystyle X로의 함수 f:X→X\displaystyle f:X\to X에 대하여 집합 Y\displaystyle Y에서 Y\displaystyle Y로의 함수 F:Y→Y\displaystyle F:Y\to Y를F(A)={f(x)∣x∈A}\displaystyle F(A)=\{f(x)\mid x\in A\}와 같이 정의하자. 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Bn\displaystyle B_n을B1=X,\displaystyle B_1=X,Bn=F(Bn−1),n=2,3,⋯\displaystyle B_n=F(B_{n-1}),\quad n=2,3,\cdots과 같이 정의하고 B=⋂n=1∞Bn\displaystyle B=\bigcap_{n=1}^{\infty}B_n이라 하자.

(a) Y\displaystyle Y의 원소 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2가 C1⊂C2\displaystyle C_1\subset C_2를 만족할 때, F(C1)⊂F(C2)\displaystyle F(C_1)\subset F(C_2)가 성립함을 설명하시오.

(b) Y\displaystyle Y의 원소 D\displaystyle D가 F(D)=D\displaystyle F(D)=D를 만족할 때, D⊂B\displaystyle D\subset B가 성립함을 설명하시오.

(c) X\displaystyle X가 모든 실수들의 집합이고 f(x)=−sin⁡x2\displaystyle f(x)=-\sin\frac{x}{2}일 때, F(A)=A\displaystyle F(A)=A를 만족하는 Y\displaystyle Y의 원소 A\displaystyle A를 모두 찾으시오.

해설강의 준비중

(a)

Y\displaystyle Y의 원소 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2가 C1⊂C2\displaystyle C_1\subset C_2를 만족한다고 하자. x∈F(C1)\displaystyle x\in F(C_1)이면 x=f(y)\displaystyle x=f(y)를 만족하는 y∈C1\displaystyle y\in C_1이 존재한다. y∈C1\displaystyle y\in C_1이므로 y∈C2\displaystyle y\in C_2이고 x=f(y)∈F(C2)\displaystyle x=f(y)\in F(C_2)이다. 따라서 F(C1)⊂F(C2)\displaystyle F(C_1)\subset F(C_2)이다.

(b)

Y\displaystyle Y의 원소 D\displaystyle D가 F(D)=D\displaystyle F(D)=D를 만족한다고 하자. (a)를 이용하면 수학적 귀납법에 의해Bn⊃Bn+1,n=1,2,…\displaystyle B_n\supset B_{n+1},\quad n=1,2,\ldots를 보일 수 있다. 다시 수학적 귀납법에 의해D⊂Bn,n=1,2,…\displaystyle D\subset B_n,\quad n=1,2,\ldots를 보일 수 있다. 따라서 D⊂B\displaystyle D\subset B이다.

(c)

X=R\displaystyle X=R이고 f(x)=−sin⁡x2\displaystyle f(x)=-\sin\frac{x}{2}일 때, 수학적 귀납법을 이용하여Bn⊂[−(1/2)n−2,(1/2)n−2],n=2,3,…\displaystyle B_n\subset[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}],\quad n=2,3,\ldots을 보일 수 있다. 즉 B1=R\displaystyle B_1=R이고 B2=[−1,1]\displaystyle B_2=[-1,1]이므로 n=2\displaystyle n=2일 때, Bn⊂[−(1/2)n−2,(1/2)n−2]\displaystyle B_n\subset[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}]이다. 그리고 2 이상의 어떤 자연수 n\displaystyle n에 대하여 Bn⊂[−(1/2)n−2,(1/2)n−2]\displaystyle B_n\subset[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}]이면Bn+1⊂F([−(1/2)n−2,(1/2)n−2])\displaystyle B_{n+1}\subset F([-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}])이다. x∈F([−(1/2)n−2,(1/2)n−2])\displaystyle x\in F([-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}])이면 x=f(y)=−sin⁡y\displaystyle x=f(y)=-\sin y를 만족하는 y∈[−(1/2)n−2,(1/2)n−2]\displaystyle y\in[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}]가 존재한다. 따라서Correction. x=f(y)=−sin⁡y\displaystyle x=f(y)=-\sin y는 x=f(y)=−sin⁡y2\displaystyle x=f(y)=-\sin\frac y2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.∣x∣=sin⁡∣y∣2≤12∣y∣≤(12)n−1\displaystyle |x|=\sin\frac{|y|}{2}\le\frac{1}{2}|y|\le\left(\frac{1}{2}\right)^{n-1}이며Bn+1⊂F([−(1/2)n−2,(1/2)n−2])⊂[−(1/2)n−1,(1/2)n−1]\displaystyle B_{n+1}\subset F([-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}])\subset[-(1/2)^{n-1},(1/2)^{n-1}]이 성립한다. 그러므로 수학적 귀납법에 의해 2 이상의 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 Bn⊂[−(1/2)n−2,(1/2)n−2]\displaystyle B_n\subset[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}]가 성립한다.

그러므로B=⋂n=1∞Bn⊂⋂n=1∞[−(1/2)n−2,(1/2)n−2]={0}\displaystyle B=\bigcap_{n=1}^{\infty}B_n\subset\bigcap_{n=1}^{\infty}[-(1/2)^{n-2},(1/2)^{n-2}]=\{0\}이다. (b)에 의해 F(A)=A\displaystyle F(A)=A를 만족하는 A\displaystyle A는 A⊂B\displaystyle A\subset B를 만족하므로 A=∅\displaystyle A=\varnothing 또는 A={0}\displaystyle A=\{0\}이다. A=∅\displaystyle A=\varnothing와 A={0}\displaystyle A=\{0\} 두 경우 모두 F(A)=A\displaystyle F(A)=A를 만족함을 확인할 수 있다.

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