수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 아래의 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (총33점)

수학적 귀납법

자연수 n\displaystyle n에 관한 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 모든 자연수에 대하여 성립한다는 것을 증명하려면 다음 두 가지를 보이면 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 때에도 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 성립한다.

자연수 n\displaystyle n에 대하여, x\displaystyle x에 관한 함수 fn(x)\displaystyle f_n(x)는 다음과 같이 정의된다.fn(x)=fn−1(x)×xan,f0(x)=1\displaystyle f_n(x)=f_{n-1}(x)\times x^{a_n},\quad f_0(x)=1

[2.1] an=1n(n+1)\displaystyle a_n=\frac1{n(n+1)}일 때, lim⁡n→∞fn(x)\displaystyle \lim_{n\to\infty}f_n(x)를 구하시오. (8점)

[2.2] an=n+1\displaystyle a_n=n+1일 때, f30(x)\displaystyle f_{30}(x)를 x\displaystyle x에 관한 식으로 나타내시오. (8점)

[2.3] an=1n\displaystyle a_n=\frac1n일 때, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 fn(x)≥x2nn+1\displaystyle f_n(x)\geq x^{\frac{2n}{n+1}} (단, x>1\displaystyle x>1)임을 증명하시오. (17점)

해설강의 준비중

[2.1] an=1n(n+1)=1n−1n+1\displaystyle a_n=\frac1{n(n+1)}=\frac1n-\frac1{n+1}이므로, fn(x)=fn−1(x)×x1n−1n+1\displaystyle f_n(x)=f_{n-1}(x)\times x^{\frac1n-\frac1{n+1}}이 된다. f0(x)=1\displaystyle f_0(x)=1이므로,fn(x)=fn−1(x)×x1n−1n+1=fn−2(x)×x1n−1−1n×x1n−1n+1=⋯=1×x11−11+1×⋯×x1n−1−1n×x1n−1n+1=x1−1n+1\displaystyle \begin{aligned}f_n(x)&=f_{n-1}(x)\times x^{\frac1n-\frac1{n+1}}=f_{n-2}(x)\times x^{\frac1{n-1}-\frac1n}\times x^{\frac1n-\frac1{n+1}}=\cdots\\&=1\times x^{\frac11-\frac1{1+1}}\times\cdots\times x^{\frac1{n-1}-\frac1n}\times x^{\frac1n-\frac1{n+1}}=x^{1-\frac1{n+1}}\end{aligned}이다. 그러므로lim⁡n→∞fn(x)=x\displaystyle \lim_{n\to\infty}f_n(x)=x이다.

[2.2] an=n+1\displaystyle a_n=n+1이므로, fn(x)=fn−1(x)×xn+1\displaystyle f_n(x)=f_{n-1}(x)\times x^{n+1}이 된다. f0(x)=1\displaystyle f_0(x)=1이므로,f30(x)=f29(x)×x31=f28(x)×x30×x31=⋯=1×x2×⋯×x30×x31=x2+⋯+30+31=x30×332=x495\displaystyle \begin{aligned}f_{30}(x)&=f_{29}(x)\times x^{31}=f_{28}(x)\times x^{30}\times x^{31}=\cdots\\&=1\times x^2\times\cdots\times x^{30}\times x^{31}=x^{2+\cdots+30+31}=x^{\frac{30\times33}2}=x^{495}\end{aligned}이다.

[2.3] fn(x)=x∑i=1n1i\displaystyle f_n(x)=x^{\sum_{i=1}^n\frac1i}이므로 x∑i=1n1i≥x2nn+1\displaystyle x^{\sum_{i=1}^n\frac1i}\geq x^{\frac{2n}{n+1}}을 증명하면 된다. 또한 x>1\displaystyle x>1이므로∑i=1n1i≥2nn+1\displaystyle \sum_{i=1}^n\frac1i\geq\frac{2n}{n+1}을 보이면 된다.1) n=1\displaystyle n=1일 경우, 좌변과 우변은 모두 1이므로 식을 만족한다.2) n=k\displaystyle n=k일 경우, 식을 만족한다고 가정하면, ∑i=1k1i≥2kk+1\displaystyle \sum_{i=1}^k\frac1i\geq\frac{2k}{k+1}이다. 양변에 1k+1\displaystyle \frac1{k+1}을 더하여 정리하면,∑i=1k+11i=∑i=1k1i+1k+1≥2kk+1+1k+1=2k+1k+1\displaystyle \sum_{i=1}^{k+1}\frac1i=\sum_{i=1}^k\frac1i+\frac1{k+1}\geq\frac{2k}{k+1}+\frac1{k+1}=\frac{2k+1}{k+1}이다. 그런데 2k+1k+1−2(k+1)k+2=k(k+1)(k+2)>0\displaystyle \frac{2k+1}{k+1}-\frac{2(k+1)}{k+2}=\frac k{(k+1)(k+2)}>0이므로,∑i=1k+11i≥2(k+1)k+2\displaystyle \sum_{i=1}^{k+1}\frac1i\geq\frac{2(k+1)}{k+2}이다. 따라서 n=k+1\displaystyle n=k+1에 대해서도 만족하므로 수학적 귀납법에 의해 모든 자연수 n\displaystyle n에 대해 ∑i=1n1i≥2nn+1\displaystyle \sum_{i=1}^n\frac1i\geq\frac{2n}{n+1}가 성립한다.

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