수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

● 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 방정식은 y−f(a)=f′(a)(x−a)\displaystyle y-f(a)=f^{\prime}(a)(x-a)이다.

● 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 유리함수일 때, x\displaystyle x의 범위에 따른 함숫값의 범위를 다음과 같이 어림할 수 있다. 예를 들어 닫힌구간 [−2,−1]\displaystyle [-2,-1]에서 g(x)=3x+1x+4\displaystyle g(x)=\frac{3x+1}{x+4}의 범위를 알아보자.−2≤x≤−1\displaystyle -2\le x\le-1일 때 x+4>0\displaystyle x+4>0이므로,3x+1x+4=3(x+4)−11x+4=3(x+4)x+4−11x+4≤3\displaystyle \frac{3x+1}{x+4}=\frac{3(x+4)-11}{x+4}=\frac{3(x+4)}{x+4}-\frac{11}{x+4}\le3을 얻는다.따라서, −2≤x≤−1\displaystyle -2\le x\le-1일 때 g(x)≤3\displaystyle g(x)\le3임을 알 수 있다.

제시문을 읽고 다음 문제에 답하시오.

자연수 n\displaystyle n에 대하여, 수열 an\displaystyle {a_n}을 다음과 같이 정의한다.

● a1=3\displaystyle a_1=3

● f(x)=x3+x−2\displaystyle f(x)=x^3+x-2에 대하여, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (an,f(an))\displaystyle (a_n,f(a_n))에서의 접선을 ln\displaystyle l_n이라 할 때, ln\displaystyle l_n의 x\displaystyle x절편을 an+1\displaystyle a_{n+1}이라 하자.

2-1. an+1\displaystyle a_{n+1}을 an\displaystyle a_n으로 나타내시오.

2-2. 1≤an≤3\displaystyle 1\le a_n\le3일 때, ∣an+1−1∣≤23∣an−1∣\displaystyle |a_{n+1}-1|\le\frac23|a_n-1|임을 보이시오.

해설강의 준비중

■ 2-1.ln\displaystyle l_n은 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 (an,f(an))\displaystyle (a_n,f(a_n))에서의 접선이므로, 접선의 방정식 공식에 의하여 ln:y−f(an)=f′(an)(x−an)\displaystyle l_n:y-f(a_n)=f^{\prime}(a_n)(x-a_n)이고, an+1\displaystyle a_{n+1}은 ln\displaystyle l_n의 x\displaystyle x절편이므로, (an+1,0)\displaystyle (a_{n+1},0)은 ln\displaystyle l_n의 한 점이다. 따라서 −f(an)=f′(an)(an+1−an)\displaystyle -f(a_n)=f^{\prime}(a_n)(a_{n+1}-a_n) 및 an+1=an−f(an)f′(an)\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{f(a_n)}{f^{\prime}(a_n)}이 성립한다.도함수를 계산하면 f′(x)=3x2+1\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2+1이므로, 이를 위 식에 대입하여 정리하면 an+1=an−f(an)f′(an)=an−an3+an−23an2+1=2an3+23an2+1\displaystyle a_{n+1}=a_n-\frac{f(a_n)}{f^{\prime}(a_n)}=a_n-\frac{a_n^3+a_n-2}{3a_n^2+1}=\frac{2a_n^3+2}{3a_n^2+1}이다.

■ 2-2.위의 식에서 양변에 1를 빼고 절댓값을 취한 뒤 인수분해하여 정리하면 다음과 같다.∣an+1−1∣=∣2an3+23an2+1−1∣=∣2an3−3an2+13an2+1∣=∣(an−1)(2an2−an−1)3an2+1∣=∣an−1∣∣2an2−an−13an2+1∣\displaystyle |a_{n+1}-1|=\left|\frac{2a_n^3+2}{3a_n^2+1}-1\right|=\left|\frac{2a_n^3-3a_n^2+1}{3a_n^2+1}\right|=\left|\frac{(a_n-1)(2a_n^2-a_n-1)}{3a_n^2+1}\right|=|a_n-1|\left|\frac{2a_n^2-a_n-1}{3a_n^2+1}\right|여기서, 모든 n\displaystyle n에 대하여 1≤an≤3\displaystyle 1\le a_n\le3이므로 2an2−an−1≥0\displaystyle 2a_n^2-a_n-1\ge0, 3an2+1>0\displaystyle 3a_n^2+1>0 및 an+35>0\displaystyle a_n+\frac35>0이므로,Correction. 이어지는 계산에서 빼는 항은 an+53\displaystyle a_n+\frac53이므로, 앞 문장의 35\displaystyle \frac35는 53\displaystyle \frac53의 오기로 보인다. 다만 1≤an≤3\displaystyle 1\le a_n\le3에서 두 항은 모두 양수이므로 부등식의 결론에는 영향이 없다. 원문 표기는 그대로 실었다.∣2an2−an−13an2+1∣=2an2−an−13an2+1=2(an2+13)−an−533(an2+13)=2(an2+13)3(an2+13)−an+533(an2+13)≤2(an2+13)3(an2+13)=23\displaystyle \left|\frac{2a_n^2-a_n-1}{3a_n^2+1}\right|=\frac{2a_n^2-a_n-1}{3a_n^2+1}=\frac{2(a_n^2+\frac13)-a_n-\frac53}{3(a_n^2+\frac13)}=\frac{2(a_n^2+\frac13)}{3(a_n^2+\frac13)}-\frac{a_n+\frac53}{3(a_n^2+\frac13)}\le\frac{2(a_n^2+\frac13)}{3(a_n^2+\frac13)}=\frac23이다. 따라서, ∣an+1−1∣≤23∣an−1∣\displaystyle |a_{n+1}-1|\le\frac23|a_n-1|를 얻는다.

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