수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

<문제 2>

[가] (중간값의 정리) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)≠f(b)\displaystyle f(a)\ne f(b)이면 f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)사이의 임의의 실수 k\displaystyle k에 대하여 f(c)=k\displaystyle f(c)=k를 만족하는 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.

[나] 좌표평면 위의 일차변환 f:(x,y)→(x′,y′)\displaystyle f:(x,y)\to(x^{\prime},y^{\prime})는 아래와 같이{x′=ax+byy′=cx+dy\displaystyle \begin{cases}x^{\prime}=ax+by\\y^{\prime}=cx+dy\end{cases}로 주어진다. 즉, (x′y′)=(abcd)(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}이다. 이 때 M=(abcd)\displaystyle M=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}를 f\displaystyle f를 나타내는 행렬이라고 한다. 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f\displaystyle f를 n\displaystyle n번 합성한 함수를 fn\displaystyle f^n이라고 나타낸다.

【2-1】 함수 f(x)=x3−2x+12\displaystyle f(x)=x^3-2x+\frac12이라고 하자. 제시문 [가]를 참고하여 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 서로 다른 세 실근 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma(단, α<β<γ\displaystyle \alpha<\beta<\gamma)를 가짐을 보이시오. 또한 각각의 근이 유리수가 아님을 보이시오.

【2-2】 점 A(α,0),B(β,0),C(γ,0)\displaystyle \mathrm A(\alpha,0),\mathrm B(\beta,0),\mathrm C(\gamma,0)는 y=x3−2x+12\displaystyle y=x^3-2x+\frac12 위에 있다(단, α<β<γ\displaystyle \alpha<\beta<\gamma). Pn(n,0)\displaystyle \mathrm P_n(n,0) (n\displaystyle n는 자연수)에 대하여 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}을 an=APn‾×BPn‾×CPn‾\displaystyle a_n=\overline{\mathrm{AP}_n}\times\overline{\mathrm{BP}_n}\times\overline{\mathrm{CP}_n}라고 하자. 이 수열의 첫째항부터 제 n\displaystyle n항까지의 합 Sn=∑k=1nak\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^na_k를 구하시오.

【2-3】 행렬 M=(abcd)\displaystyle M=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}(단, ad−bc≠0\displaystyle ad-bc\ne0)가 나타내는 일차변환 f\displaystyle f에 의하여 곡선 y=x3−2x+12\displaystyle y=x^3-2x+\frac12이 y=227x3+1\displaystyle y=\frac2{27}x^3+1로 옮겨진다고 하자. 이 때 행렬 M\displaystyle M을 구하시오.

【2-4】 자연수 n\displaystyle n에 대하여 문제 【2-3】에서 구한 일차변환 f\displaystyle f를 n\displaystyle n번 합성한 함수 fn\displaystyle f^n에 의하여 y=x3−2x+12\displaystyle y=x^3-2x+\frac12이 옮겨지는 곡선을 구하시오.

해설강의 준비중

문제 [2-1]에서 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 서로 다른 세 실근을 가짐을 보이는 것은 중간값의 정리를 이용하면 쉽게 보일 수 있다. 또한 각각의 근이 유리수가 아니라는 것은 중학교 교육과정에서 다룬 2\displaystyle \sqrt2가 유리수가 아님을 증명하는 것과 유사한 방법으로 증명할 수 있다. 문제 [2-2]는 삼차방정식의 근과 계수의 관계를 이용하여 두 점 사이의 거리를 구하는 문제이다. 문제에 주어진 수열의 합 Sn\displaystyle S_n을 구하기 위해서는 자연수의 거듭제곱의 합 공식에 대한 이해가 필요하다. 문제 [2-3]은 주어진 곡선이 일차변환에 의하여 어떤 곡선으로 옮겨지는 지를 묻는 문제이며, 문제 [2-4]는 [2-3]에서 얻은 일차변환을 반복해서 적용하는 합성변환에 대한 문제로 <수학I>에서 다루는 점화식에 대한 이해가 필요하다.

2-1 · 중간값의 정리를 이해하고 값의 대입이나 그래프를 통하여 세 근의 존재를 평가한다. 또한 귀류법을 통하여 각각의 근이 유리수가 아님을 보이는 것을 평가한다.

【2-1】 f(−2)=−8+4+1/2<0, f(−1)=−1+2+1/2>0, f(0)=1/2>0,f(1)=1−2+1/2<0, f(2)=8−4+1/2>0\displaystyle \begin{aligned}&f(-2)=-8+4+1/2<0,\ f(-1)=-1+2+1/2>0,\ f(0)=1/2>0,\\&f(1)=1-2+1/2<0,\ f(2)=8-4+1/2>0\end{aligned}이므로 제시문 [나]에 의하여 세 개의 근 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma가 존재하며 −2<α<1,0<β<1,1<γ<2\displaystyle -2<\alpha<1,0<\beta<1,1<\gamma<2임을 알 수 있다.Correction. 중간값의 정리를 가리키는 “제시문 [나]”는 “제시문 [가]”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이제는 이 근들이 유리수가 아님을 보이자. 근 x=a/b\displaystyle x=a/b(단 a,b\displaystyle a,b는 서로소인 정수)라고 두자.그러면 f(a/b)=(a/b)3−2(a/b)+12=0\displaystyle f(a/b)=(a/b)^3-2(a/b)+\frac12=0⇔2a3−4ab2+b3=0⇔b3=4ab2−2a3=2(2ab2−a3)\displaystyle \Leftrightarrow2a^3-4ab^2+b^3=0\Leftrightarrow b^3=4ab^2-2a^3=2(2ab^2-a^3)마지막 식의 우변의 식 2(2ab2−a3)\displaystyle 2(2ab^2-a^3)이 짝수이므로 좌변의 식 b3\displaystyle b^3도 짝수이어야 한다. 그러면 b\displaystyle b도 짝수이어야 한다.이제 b=2k\displaystyle b=2k라고 두면2a3−16ak2+8k3=0⇔a3−8ak2+4k3=0⇔a3=8ak2−4k3=2(4ak2−2k3)\displaystyle 2a^3-16ak^2+8k^3=0\Leftrightarrow a^3-8ak^2+4k^3=0\Leftrightarrow a^3=8ak^2-4k^3=2(4ak^2-2k^3)마지막 식의 우변의 식 2(4ak2−2k3)\displaystyle 2(4ak^2-2k^3)이 짝수이므로 좌변의 식 a3\displaystyle a^3도 짝수이어야 한다. 따라서 a\displaystyle a도 짝수이다. a,b\displaystyle a,b가 모두 짝수인 것은 서로소라는 가정에 위배되므로, x\displaystyle x는 유리수가 아니다.

2-2 · 수열의 성질과 수열의 합의 공식을 이용하여 주어진 식을 수립하고 전개하는 것을 평가한다.

【2-2】 k=1\displaystyle k=1일 때 a1=(1−α)(1−β)(γ−1)\displaystyle a_1=(1-\alpha)(1-\beta)(\gamma-1) (왜냐하면 α,β<1,γ>1\displaystyle \alpha,\beta<1,\gamma>1). k≥2\displaystyle k\ge2일 때,ak=(k−α)(k−β)(k−γ)\displaystyle a_k=(k-\alpha)(k-\beta)(k-\gamma)가 된다.따라서Sn=a1+∑k=2n(k−α)(k−β)(k−γ)=−(1−α)(1−β)(1−γ)+∑k=2n(k−α)(k−β)(k−γ)=−2(1−α)(1−β)(1−γ)+∑k=1n(k−α)(k−β)(k−γ)=−2(1−(α+β+γ)+(αβ+βγ+γα)−αβγ)+∑k=1n(k3−(α+β+γ)k2+(αβ+βγ+γα)k−αβγ)=−2(1−0−2+1/2)+(n(n+1)2)2−0+(−2)⋅n(n+1)2+12n=(n(n+1)2)2−n(n+1)+n2+1=n44+n32−34n2−n2+1\displaystyle \begin{aligned}S_n&=a_1+\sum_{k=2}^n(k-\alpha)(k-\beta)(k-\gamma)=-(1-\alpha)(1-\beta)(1-\gamma)+\sum_{k=2}^n(k-\alpha)(k-\beta)(k-\gamma)\\&=-2(1-\alpha)(1-\beta)(1-\gamma)+\sum_{k=1}^n(k-\alpha)(k-\beta)(k-\gamma)\\&=-2(1-(\alpha+\beta+\gamma)+(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)-\alpha\beta\gamma)+\sum_{k=1}^n(k^3-(\alpha+\beta+\gamma)k^2+(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)k-\alpha\beta\gamma)\\&=-2(1-0-2+1/2)+\left(\frac{n(n+1)}2\right)^2-0+(-2)\cdot\frac{n(n+1)}2+\frac12n\\&=\left(\frac{n(n+1)}2\right)^2-n(n+1)+\frac n2+1\\&=\frac{n^4}4+\frac{n^3}2-\frac34n^2-\frac n2+1\end{aligned}

2-3 · 제시문 [나]의 내용을 이용하여 역행렬을 구하고 대입하고 정리해나가는 과정을 평가한다. 또한, 역행렬을 구하지 않고 식을 대입하여 결과값과 계수 비교를 함으로써 원하는 행렬을 구할 수도 있다.

【2-3】 M\displaystyle M의 역행렬을 구해보면 M−1=1D(d−b−ca)\displaystyle M^{-1}=\frac1D\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}(단, D=ad−bc\displaystyle D=ad-bc)가 된다.따라서 (xy)=M−1(x′y′)=1D(dx′−by′−cx′+ay′)\displaystyle \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=M^{-1}\begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\frac1D\begin{pmatrix}dx^{\prime}-by^{\prime}\\-cx^{\prime}+ay^{\prime}\end{pmatrix},즉 x=1D(dx′−by′), y=1D(−cx′+ay′)\displaystyle x=\frac1D(dx^{\prime}-by^{\prime}),\ y=\frac1D(-cx^{\prime}+ay^{\prime})을 y=x3−2x+12\displaystyle y=x^3-2x+\frac12에 대입하면 1D(−cx′+ay′)=(1D(dx′−by′))3−2(1D(dx′−by′))+12\displaystyle \frac1D(-cx^{\prime}+ay^{\prime})=\left(\frac1D(dx^{\prime}-by^{\prime})\right)^3-2\left(\frac1D(dx^{\prime}-by^{\prime})\right)+\frac12.y′=227(x′)3+1\displaystyle y^{\prime}=\frac2{27}(x^{\prime})^3+1에는 (y′)3\displaystyle (y^{\prime})^3이 없으므로, 위 식에서 b=0\displaystyle b=0이어야 한다.이를 이용하여 위 식을 간단히 정리하면y′=1D21ad3(x′)3+1a(c−2d)x′+12aD\displaystyle y^{\prime}=\frac1{D^2}\frac1a d^3(x^{\prime})^3+\frac1a(c-2d)x^{\prime}+\frac1{2a}D (여기서 a≠0\displaystyle a\ne0 왜냐하면 D≠0\displaystyle D\ne0).y′=227(x′)3+1\displaystyle y^{\prime}=\frac2{27}(x^{\prime})^3+1과 각각의 계수를 비교하면 c=2d,d2=1\displaystyle c=2d,\frac d2=1, 즉 d=2,c=4\displaystyle d=2,c=4가 된다.또한 227=1a2d21ad3=da3\displaystyle \frac2{27}=\frac1{a^2d^2}\frac1a d^3=\frac d{a^3}, 즉 a=3\displaystyle a=3이 된다. 따라서 M=(3042)\displaystyle M=\begin{pmatrix}3&0\\4&2\end{pmatrix}

2-4 · 일차변환을 차례대로 합성해 나가면서 함수가 변화된 곡선의 식을 정리해 나감으로써 일반화된 곡선식을 구해가는 과정을 평가한다. 행렬을 수학적 귀납법으로 증명하거나 점화식을 이용하여 풀 수도 있다.

【2-4】 M=(3042)\displaystyle M=\begin{pmatrix}3&0\\4&2\end{pmatrix}라고 할 때, (xy)=M−1(x′y′)=16(2x′−4x′+3y′)\displaystyle \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=M^{-1}\begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\frac16\begin{pmatrix}2x^{\prime}\\-4x^{\prime}+3y^{\prime}\end{pmatrix} 즉 x=13x′, y=−23x′+12y′\displaystyle x=\frac13x^{\prime},\ y=-\frac23x^{\prime}+\frac12y^{\prime}이 된다. 이 식을 연속해서 n\displaystyle n번 적용하면 된다. 즉, 이 식을 한 번 적용했을 때 (n=1\displaystyle n=1), y=x3−2x+12\displaystyle y=x^3-2x+\frac12이 y=227(x)3+1\displaystyle y=\frac2{27}(x)^3+1로 된다(문제 [1-3]).Correction. “문제 [1-3]”은 “문제 【2-3】”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.n=2\displaystyle n=2인 경우를 구하기 위해, y=227(x)3+1\displaystyle y=\frac2{27}(x)^3+1에 x=13x′, y=−23x′+12y′\displaystyle x=\frac13x^{\prime},\ y=-\frac23x^{\prime}+\frac12y^{\prime}를 적용하면y′=22272(x′)3+2(23x′)+2\displaystyle y^{\prime}=\frac{2^2}{27^2}(x^{\prime})^3+2\left(\frac23x^{\prime}\right)+2이고 x′,y′\displaystyle x^{\prime},y^{\prime}를 x,y\displaystyle x,y로 변경하면 y=22272(x)3+2(23x)+2\displaystyle y=\frac{2^2}{27^2}(x)^3+2\left(\frac23x\right)+2가 된다.n=3\displaystyle n=3인 경우를 구하기 위해, y=22272(x)3+2(23x)+2\displaystyle y=\frac{2^2}{27^2}(x)^3+2\left(\frac23x\right)+2에 x=13x′, y=−23x′+12y′\displaystyle x=\frac13x^{\prime},\ y=-\frac23x^{\prime}+\frac12y^{\prime}를 적용하면,y=23273(x)3+(22(2313)+2(23))x+22\displaystyle y=\frac{2^3}{27^3}(x)^3+\left(2^2\left(\frac23\frac13\right)+2\left(\frac23\right)\right)x+2^2.n=4\displaystyle n=4인 경우를 구하기 위해, 바로 위식에 다시 x=13x′, y=−23x′+12y′\displaystyle x=\frac13x^{\prime},\ y=-\frac23x^{\prime}+\frac12y^{\prime}를 적용하면,y=24274(x)3+(23(231313)+22(2313)+2(23))x+23=24274(x)3+22(1−(23)3)x+23\displaystyle y=\frac{2^4}{27^4}(x)^3+\left(2^3\left(\frac23\frac13\frac13\right)+2^2\left(\frac23\frac13\right)+2\left(\frac23\right)\right)x+2^3=\frac{2^4}{27^4}(x)^3+2^2\left(1-\left(\frac23\right)^3\right)x+2^3n=5\displaystyle n=5인 경우를 구하기 위해, 바로 위식에 다시 x=13x′, y=−23x′+12y′\displaystyle x=\frac13x^{\prime},\ y=-\frac23x^{\prime}+\frac12y^{\prime}를 적용하면,y=25275(x)3+(24(23131313)+23(231313)+22(2313)+2(23))x+24=25275(x)3+22(1−(23)4)x+24\displaystyle \begin{aligned}y&=\frac{2^5}{27^5}(x)^3+\left(2^4\left(\frac23\frac13\frac13\frac13\right)+2^3\left(\frac23\frac13\frac13\right)+2^2\left(\frac23\frac13\right)+2\left(\frac23\right)\right)x+2^4\\&=\frac{2^5}{27^5}(x)^3+2^2\left(1-\left(\frac23\right)^4\right)x+2^4\end{aligned}따라서 이런 패턴을 임의의 n\displaystyle n에 대하여 표현하면 다음의 곡선이 얻어진다.y=(227)5x3+22(1−(23)n−1)x+2n−1\displaystyle y=\left(\frac2{27}\right)^5x^3+2^2\left(1-\left(\frac23\right)^{n-1}\right)x+2^{n-1}Correction. 일반항에서 x3\displaystyle x^3의 계수 (2/27)5\displaystyle (2/27)^5는 (2/27)n\displaystyle (2/27)^n의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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