수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[문제 1] 모범답안

[1] R0={3kk는 정수}\displaystyle R _{0} = \left\{ 3k | k\text{는 정수} \right\},R1={3k+1k는 정수}\displaystyle R _{1} = \left\{ 3k+1 | k\text{는 정수} \right\},R2={3k+2k는 정수}\displaystyle R _{2} = \left\{ 3k+2 | k\text{는 정수} \right\}이다. 임의의 정수 a\displaystyle a3\displaystyle 3으로 나눌 때 나머지가 0\displaystyle 0 또는 1\displaystyle 1 또는 2\displaystyle 2이므로 aR0\displaystyle a \in R _{0} 또는 aR1\displaystyle a \in R _{1} 또는 aR2\displaystyle a \in R _{2} 이다. 따라서 R0R1R2=Z\displaystyle R _{0} \cup R _{1} \cup R _{2}=\mathbb{Z} 이다.

[2] aRiRj\displaystyle a \in R _{i} \cap R _{j}라고 하면 적당한 정수 m,n\displaystyle m, n에 대하여 a=3m+i=3n+j\displaystyle a=3m+i=3n+j로 나타낼 수 있으므로 3(mn)=ji\displaystyle 3(m-n)=j-i이다. 따라서 ji\displaystyle j-i3\displaystyle 3의 배수이고 0i2,0j2\displaystyle 0 \le i \le 2 , 0 \le j \le 2이므로 i=j\displaystyle i=j이다. 그러므로 ij\displaystyle i \ne j이면, RiRj=\displaystyle R _{i} \cap R _{j} = \varnothing 이다.

[3] 집합 Ri\displaystyle R _{i}가 <성질 1>을 만족한다면 a,bRi\displaystyle a,b \in R _{i}, b0\displaystyle b \ne 0에 대하여 적당한 원소 c,dRi\displaystyle c, d \in R _{i}가 존재하여 a=bc+d\displaystyle a=b \cdot c+d가 성립한다. 그런데 a=3k+i,b=3m+i,c=3n+i,d=3p+i\displaystyle a=3k+i, b=3m+i, c=3n+i, d=3p+i 인 정수 k,m,n,p\displaystyle k, m, n,p가 존재하므로 3k+i=(3m+i)(3n+i)+(3p+i)=3q+i2+i\displaystyle 3k+i=(3m+i)(3n+i)+(3p+i)=3q+i ^{2} +i 인 정수 q\displaystyle q가 존재한다. 따라서 3(kq)=i2\displaystyle 3(k-q)=i ^{2} 이고 i2\displaystyle i ^{2}3\displaystyle 3의 배수이므로 i=0\displaystyle i=0이다. 또한 R0\displaystyle R _{0}에 속하는 원소 3k,3m\displaystyle 3k, 3m에 대하여 원소 3n,3(kmn)R0\displaystyle 3n, 3(k-mn)\in R _{0}이 존재하여 등식 3k=(3m)(3n)+3(k3mn)\displaystyle 3k=(3m)(3n)+3(k-3mn)이 성립하므로 <성질 1>을 만족하는 집합은 R0\displaystyle R _{0} 뿐이다.Correction. 원소를 나열한 부분의 3(kmn)\displaystyle 3(k-mn)은 뒤의 등식에 쓰인 3(k3mn)\displaystyle 3(k-3mn)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[4] 원소 3,6R0\displaystyle 3, 6 \in R _{0}에 대하여 3=60+3=63+(15)\displaystyle 3=6 \bullet 0+3=6 \bullet 3+(-15)이고 0,3,15R0\displaystyle 0, 3, -15 \in R _{0}이므로 집합 R0\displaystyle R _{0}는 <성질 2>를 만족하지 않는다. 따라서 <성질 1>을 만족하는 집합 중에서 <성질 2>를 만족하는 집합은 존재하지 않는다.

[5] 연립방정식의 계수로 이루어진 행렬 M=(a1a2a3a4)\displaystyle M=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}의 행렬식 det(M)\displaystyle \det (M)0\displaystyle 0이 아닌 조건을 찾으면 된다. 그런데 적당한 정수 k,m,n,p\displaystyle k, m, n,p에 대하여 a1=3k,a2=3m+1,a3=3n+2,a4=3p+i\displaystyle a _{1} =3k, a _{2} =3m+1, a _{3} =3n+2,a _{4} =3p+i이라고 놓으면 det(M)=(3k)(3p+i)(3m+1)(3n+2)=3q+1\displaystyle \det (M)=(3k)(3p+i)-(3m+1)(3n+2)=3q+1인 정수 q\displaystyle q가 존재하고 3q+10\displaystyle 3q+1 \ne 0이므로 a4\displaystyle a _{4}R0,R1,R2\displaystyle R _{0} , R _{1} , R _{2} 중 어느 집합에 속해도 된다.

[6] 함수 g\displaystyle gR2\displaystyle R_2에 속하지 않는 모든 점 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=0\displaystyle g(x)=0이다. 따라서 aR2\displaystyle a \notin R _{2}일 때 limxag(x)=0\displaystyle \lim _{x \to a} {g(x)=0}이다. 또한 aR2\displaystyle a \in R _{2}일 때 g(x)\displaystyle g(x)의 좌극한과 우극한은 각각 limxag(x)=0\displaystyle \lim _{x \to a ^{-}} {g(x)=0} 이고 limxa+g(x)=0\displaystyle \lim _{x \to a ^{+}} {g(x)=0} 이므로 limxag(x)=0\displaystyle \lim _{x \to a} {g(x)=0} 이다. 따라서 A=R\displaystyle A=\mathbb{R}이다.

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