수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

■ 3-1.명제 P(k)\displaystyle P(k)가 참이라 하자.x1,x2,,xk,xk+1\displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_k,x_{k+1}이 양수이고 x1x2xk+1=1\displaystyle x_1x_2\cdots x_{k+1}=1이라 할 때x1=x2==xk+1\displaystyle x_1=x_2=\cdots=x_{k+1}이면 x1=x2==xk+1=1\displaystyle x_1=x_2=\cdots=x_{k+1}=1이고x1+x2++xk+1=k+1\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_{k+1}=k+1이다. 따라서 x1+x2++xk+1k+1\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_{k+1}\ge k+1이 성립한다.

x1,x2,,xk+1\displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_{k+1}이 모두 같지는 않다면 1보다 큰 xi\displaystyle x_i와 1보다 작은 xj\displaystyle x_j가 존재한다.실수의 곱은 교환법칙이 성립하므로 1보다 큰 xi\displaystyle x_ix1\displaystyle x_1이라 하고 1보다 작은 xj\displaystyle x_jx2\displaystyle x_2라 하면 1x1<0, 1x2>0\displaystyle 1-x_1<0,\ 1-x_2>0이다.(1x1)(1x2)=1x1x2+x1x2<0\displaystyle (1-x_1)(1-x_2)=1-x_1-x_2+x_1x_2<0에서1+x1x2<x1+x2\displaystyle 1+x_1x_2<x_1+x_2이 성립한다.이 식을 이용하면x1+x2++xk+1>1+x1x2+x3++xk+1 (1)\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_{k+1}>1+x_1x_2+x_3+\cdots+x_{k+1}\quad\cdots\ (1)이다.한편 P(k)\displaystyle P(k)가 참이고 (x1x2)x3xk+1=1\displaystyle (x_1x_2)x_3\cdots x_{k+1}=1이므로x1x2+x3++xk+1k\displaystyle x_1x_2+x_3+\cdots+x_{k+1}\ge k이 성립한다.따라서 부등식 (1)에서x1+x2++xk+1>1+x1x2+x3++xk+1k+1\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_{k+1}>1+x_1x_2+x_3+\cdots+x_{k+1}\ge k+1을 얻는다.①, ②에서 P(k)\displaystyle P(k)가 참이면 P(k+1)\displaystyle P(k+1)도 참임을 알 수 있다.

■ 3-2.n\displaystyle n개의 양수 t1,t2,,tn\displaystyle t_1,t_2,\cdots,t_n에 대하여x1=t1t1t2tnn, x2=t2t1t2tnn, , xn=tnt1t2tnn\displaystyle x_1=\frac{t_1}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}},\ x_2=\frac{t_2}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}},\ \cdots,\ x_n=\frac{t_n}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}이라 하면 ‘x1,x2,,xn\displaystyle x_1,x_2,\cdots,x_n도 양수이고 x1x2xn=1\displaystyle x_1x_2\cdots x_n=1이다.P(n)\displaystyle P(n)이 참이므로 x1+x2++xnn\displaystyle x_1+x_2+\cdots+x_n\ge n이다.따라서 xi=tit1t2tnn (i=1,,n)\displaystyle x_i=\frac{t_i}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}\ (i=1,\cdots,n)를 위 식에 대입하면t1t1t2tnn+t2t1t2tnn++tnt1t2tnn=t1++tnt1t2tnnn\displaystyle \frac{t_1}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}+\frac{t_2}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}+\cdots+\frac{t_n}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}=\frac{t_1+\cdots+t_n}{\sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}}\ge n이고 t1t2tnn>0\displaystyle \sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}>0이므로 양변에 t1t2tnn\displaystyle \sqrt[n]{t_1t_2\cdots t_n}를 곱하면 부등식t1+t2++tnn(t1t2tn)1/n\displaystyle \frac{t_1+t_2+\cdots+t_n}n\ge(t_1t_2\cdots t_n)^{1/n}을 얻는다.

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