수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (1차) 2번

문제

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· 【2-1】 주어진 부등식의 우변을 n\displaystyle n제곱한 식을 제시문 [가]의 이항정리를 사용하여 전개할 수 있다. 전개한 식을 활용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.

【2-1】 1\displaystyle 1보다 큰 자연수 n\displaystyle n에 대하여, (1+n)1n<1+2n1\displaystyle (1+n)^{\frac1n}<1+\sqrt{\frac2{n-1}}의 양변이 양수이므로, 양변을 n\displaystyle n제곱하여 얻게 되는 부등식1+n<(1+2n1)n(1)\displaystyle 1+n<\left(1+\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^n\qquad(1)이 성립함을 보이면 된다. 제시문 [가]를 이용하여 (1)의 우변을 전개하면,(1+2n1)n(2)=nC0+nC1(2n1)+nC2(2n1)2++nCr(2n1)r++nCn(2n1)n\displaystyle \begin{aligned}&\left(1+\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^n\qquad(2)\\&={}_n\mathrm{C}_0+{}_n\mathrm{C}_1\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)+{}_n\mathrm{C}_2\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^2+\cdots+{}_n\mathrm{C}_r\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^r+\cdots+{}_n\mathrm{C}_n\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^n\end{aligned}을 얻게 된다. (2)의 우변의 각 항이 양수이므로,nC0+nC1(2n1)+nC2(2n1)2++nCr(2n1)r++nCn(2n1)n>nC0+nC2(2n1)2=1+n(n1)2×2n1=1+n\displaystyle \begin{aligned}&{}_n\mathrm{C}_0+{}_n\mathrm{C}_1\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)+{}_n\mathrm{C}_2\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^2+\cdots+{}_n\mathrm{C}_r\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^r+\cdots+{}_n\mathrm{C}_n\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^n\\&>{}_n\mathrm{C}_0+{}_n\mathrm{C}_2\left(\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^2=1+\frac{n(n-1)}2\times\frac2{n-1}=1+n\end{aligned}이다. 따라서, 부등식1+n<(1+2n1)n\displaystyle 1+n<\left(1+\sqrt{\frac2{n-1}}\right)^n (n\displaystyle n1\displaystyle 1보다 큰 자연수)이 성립한다.

· 【2-2】 부등식이 성립함을 보이기 위하여 두 변의 차로 이루어진 함수의 도함수를 계산하고 도함수의 부호를 결정할 수 있다. 제시문 [나]에 주어진 도함수의 부호와 함수의 증가·감소의 관계 및 함수의 극한을 이용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.

【2-2】 (ⅰ) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 p(x)=ln(1+1x)1x+1\displaystyle p(x)=\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac1{x+1}이라고 할 때, p(x)>0\displaystyle p(x)>0임을 보이자.p(x)=1x21+1x+1(x+1)2=1x(x+1)+1(x+1)2=1x(x+1)2<0\displaystyle p^{\prime}(x)=\frac{-\frac1{x^2}}{1+\frac1x}+\frac1{(x+1)^2}=-\frac1{x(x+1)}+\frac1{(x+1)^2}=-\frac1{x(x+1)^2}<0이므로 제시문 [나]에 의하여 p(x)\displaystyle p(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소한다. 또한,limxp(x)=limxln(1+1x)limx1x+1=00=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}p(x)=\lim_{x\to\infty}\ln\left(1+\frac1x\right)-\lim_{x\to\infty}\frac1{x+1}=0-0=0이다. 따라서 p(x)>0\displaystyle p(x)>0이다.(ⅱ) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 q(x)=1x(x+1)ln(1+1x)\displaystyle q(x)=\frac1{\sqrt{x(x+1)}}-\ln\left(1+\frac1x\right)이라고 할 때, 위와 같은 방법으로 q(x)>0\displaystyle q(x)>0임을 보이자.q(x)=2x+12x(x+1)x(x+1)+1x(x+1)=(2x+1)2x(x+1)2x(x+1)x(x+1)<0\displaystyle q^{\prime}(x)=-\frac{2x+1}{2x(x+1)\sqrt{x(x+1)}}+\frac1{x(x+1)}=-\frac{(2x+1)-2\sqrt{x(x+1)}}{2x(x+1)\sqrt{x(x+1)}}<0이다. 여기서, (2x+1)2(2x(x+1))2=1>0\displaystyle (2x+1)^2-(2\sqrt{x(x+1)})^2=1>0이고 2x+1>0\displaystyle 2x+1>0, 2x(x+1)>0\displaystyle 2\sqrt{x(x+1)}>0이므로 분자가 양수임을 이용하였다. 그러므로 제시문 [나]에 의하여 q(x)\displaystyle q(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소한다. 또한,limxq(x)=limx1x(x+1)limxln(1+1x)=00=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}q(x)=\lim_{x\to\infty}\frac1{\sqrt{x(x+1)}}-\lim_{x\to\infty}\ln\left(1+\frac1x\right)=0-0=0이다. 따라서 q(x)>0\displaystyle q(x)>0이다.그러므로 (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 주어진 부등식이 성립한다.

· 【2-3】 도함수를 계산하고 문항 【2-2】의 결과를 이용하여 도함수의 부호를 결정할 수 있다. 제시문 [나]에 주어진 도함수의 부호와 함수의 증가·감소의 관계를 이용하여 함수의 증가·감소를 결정할 수 있다.

【2-3】 x>0\displaystyle x>0이면 f(x)=(1+1x)x>0\displaystyle f(x)=\left(1+\frac1x\right)^x>0이므로 자연로그를 취할 수 있다. f(x)=(1+1x)x\displaystyle f(x)=\left(1+\frac1x\right)^x의 양변에 자연로그를 취하면 lnf(x)=xln(1+1x)\displaystyle \ln f(x)=x\ln\left(1+\frac1x\right)이다. 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면f(x)f(x)=ln(1+1x)+x×(1x(x+1))=ln(1+1x)1x+1\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\ln\left(1+\frac1x\right)+x\times\left(-\frac1{x(x+1)}\right)=\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac1{x+1}이므로 문항 【2-2】에 의하여 f(x)=p(x)f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)=p(x)f(x)>0이다. 따라서, 제시문 [나]에 의하여 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 증가한다.

· 【2-4】 정의역에 속하는 x\displaystyle x를 1보다 큰 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 생각할 수 있다. x\displaystyle x가 1보다 큰 경우, 문항 【2-3】의 결과와 e\displaystyle e의 정의를 활용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다. x\displaystyle x가 1보다 작거나 같은 경우, 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 정의와 문항 【2-3】의 결과를 이용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.

【2-4】 문항 【2-3】에 의하여 f(x)\displaystyle f(x)가 열린구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 증가하고 limxf(x)=limx(1+1x)x=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac1x\right)^x=e이므로 f(x)<e (x>0)\displaystyle f(x)<e\ (x>0)이다. 따라서 x>1\displaystyle x>1이면 f(x)<e<3=g(x)\displaystyle f(x)<e<3=g(x)이다.한편, 0<x1\displaystyle 0<x\le1이면, 1x1\displaystyle \frac1x\ge1이므로 1x\displaystyle \frac1x의 정수 부분인 n\displaystyle n에 대하여 1n1x<n+1\displaystyle 1\le n\le\frac1x<n+1을 만족한다. 따라서 0<x1n1\displaystyle 0<x\le\frac1n\le1이므로 문항 【2-3】과 g(x)\displaystyle g(x)의 정의에 의하여 f(x)f(1n)=g(x)\displaystyle f(x)\le f\left(\frac1n\right)=g(x)이다.그러므로, 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)g(x)\displaystyle f(x)\le g(x)이다.

· 【2-5】 문항 【2-1】~【2-4】와 제시문 [다]를 이용하여 함수의 극한을 구하고, 이를 이용하여 주어진 함수의 치역을 찾을 수 있다. 이계도함수를 계산하고, 문항 【2-2】의 결과를 이용하여 이계도함수의 부호를 결정할 수 있다. 이계도함수의 부호를 이용하여 그래프의 오목·볼록 및 변곡점의 존재 여부를 결정할 수 있다. 제시문 [라]를 참고하여 그래프의 개형을 그릴 수 있다.

【2-5】 limn(1+2n1)=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\sqrt{\frac2{n-1}}\right)=1이고 문항 【2-1】로부터1<(1+n)1n<1+2n1\displaystyle 1<(1+n)^{\frac1n}<1+\sqrt{\frac2{n-1}} (n\displaystyle n1\displaystyle 1보다 큰 자연수)이므로 제시문 [다]에 의하여 limn(1+n)1n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}(1+n)^{\frac1n}=1이다. 따라서 limx0+g(x)=1\displaystyle \lim_{x\to0^+}g(x)=1이다.또한, limx0+g(x)=1\displaystyle \lim_{x\to0^+}g(x)=1이고 문항 【2-4】로부터 1<f(x)g(x) (x>0)\displaystyle 1<f(x)\le g(x)\ (x>0)이므로 제시문 [다]에 의하여 limx0+f(x)=1\displaystyle \lim_{x\to0^+}f(x)=1이다.한편, 문항 【2-3】으로부터 f(x)=p(x)f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=p(x)f(x)이므로,f(x)=p(x)f(x)+p(x)f(x)=f(x)(p(x)+p2(x))\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=p^{\prime}(x)f(x)+p(x)f^{\prime}(x)=f(x)(p^{\prime}(x)+p^2(x))이다. 또한,p(x)+p2(x)=1(x+1)21x(x+1)+{ln(1+1x)1x+1}2=2(x+1)21x(x+1)2x+1×ln(1+1x)+{ln(1+1x)}2=2x+1{1x+1ln(1+1x)}+{ln(1+1x)+1x(x+1)}{ln(1+1x)1x(x+1)}=2x+1×p(x){ln(1+1x)+1x(x+1)}×q(x)\displaystyle \begin{aligned}p^{\prime}(x)+p^2(x)&=\frac1{(x+1)^2}-\frac1{x(x+1)}+\left\{\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac1{x+1}\right\}^2\\&=\frac2{(x+1)^2}-\frac1{x(x+1)}-\frac2{x+1}\times\ln\left(1+\frac1x\right)+\left\{\ln\left(1+\frac1x\right)\right\}^2\\&=\frac2{x+1}\left\{\frac1{x+1}-\ln\left(1+\frac1x\right)\right\}+\left\{\ln\left(1+\frac1x\right)+\frac1{\sqrt{x(x+1)}}\right\}\left\{\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac1{\sqrt{x(x+1)}}\right\}\\&=-\frac2{x+1}\times p(x)-\left\{\ln\left(1+\frac1x\right)+\frac1{\sqrt{x(x+1)}}\right\}\times q(x)\end{aligned}이다. 문항 【2-2】로부터 p(x)>0\displaystyle p(x)>0이고 q(x)>0\displaystyle q(x)>0이므로 p(x)+p2(x)<0\displaystyle p^{\prime}(x)+p^2(x)<0이다. 따라서 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0이므로 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 위로 볼록하며 변곡점은 존재하지 않는다.함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 그리기 위하여 제시문 [라]의 내용을 확인하면 다음과 같다.① 정의역: {xx>0\displaystyle \{x\mid x>0인 실수}\displaystyle \}, 치역: {y1<y<e\displaystyle \{y\mid1<y<e인 실수}\displaystyle \}② 좌표축과의 교점은 없다.③ 열린구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 f(x)\displaystyle f(x)는 증가한다. f(x)\displaystyle f(x)의 극값은 존재하지 않는다. 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 위로 볼록하며 변곡점은 존재하지 않는다.④ 점근선: y=e\displaystyle y=e따라서 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형은 다음 그림과 같다.

함수 (1+1/x)의 x승의 그래프

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