수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

문제 3 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

일반적으로 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}을① 첫째항 a1\displaystyle a_1의 값② 두 항 an\displaystyle a_n, an+1\displaystyle a_{n+1} 사이의 관계식 (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)과 같이 정의할 수 있다. 이와 같이 수열을 처음 몇 개의 항과 이웃하는 여러 항 사이의 관계식으로 정의하는 것을 수열의 귀납적 정의라고 한다.[출처 : 수학Ⅰ 「수학적 귀납법」]

함수 f(x)=x2−17x+30\displaystyle f(x)=x^2-17x+30에 대하여 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 다음 관계를 만족시킨다.an+1={2an(f(an)≥0)an+1(f(an)<0)\displaystyle a_{n+1}=\begin{cases}2a_n&(f(a_n)\ge0)\\a_n+1&(f(a_n)<0)\end{cases}이때 다음 문항에 답하시오.

(1) 수열의 첫째항 a1\displaystyle a_1이 임의의 실수일 때, a2\displaystyle a_2가 될 수 있는 값의 범위를 구하시오.

(2) a3<32≤a4\displaystyle a_3<32\le a_4를 만족시킬 때, a1\displaystyle a_1이 될 수 있는 값의 범위를 구하시오.

해설강의 준비중
+7.5점 · a1\displaystyle a_1의 값에 따라 올바른 관계식을 적용하여 a2\displaystyle a_2의 범위를 올바르게 유도한다.

(1) f(x)=(x−2)(x−15)\displaystyle f(x)=(x-2)(x-15)이므로 2<x<15\displaystyle 2<x<15일 때 f(x)<0\displaystyle f(x)<0이고 x≤2\displaystyle x\le2 또는 x≥15\displaystyle x\ge15일 때 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이다.

f(x)=(x-2)(x-15)의 부호

따라서, 다음 두 가지의 경우를 생각할 수 있다.(i) 2<a1<15\displaystyle 2<a_1<15인 경우, f(a1)<0\displaystyle f(a_1)<0이므로 a2=a1+1\displaystyle a_2=a_1+1이고, 따라서 3<a2<16\displaystyle 3<a_2<16이다.(ii) a1≤2\displaystyle a_1\le2 또는 a1≥15\displaystyle a_1\ge15인 경우, f(a1)≥0\displaystyle f(a_1)\ge0이어서 a2=2a1\displaystyle a_2=2a_1이고, 따라서 a2≤4\displaystyle a_2\le4 또는 a2≥30\displaystyle a_2\ge30이다.(i)과 (ii)를 종합하면, a2\displaystyle a_2가 될 수 있는 값의 범위는 a2<16\displaystyle a_2<16 또는 a2≥30\displaystyle a_2\ge30이다.

+17.5점 · a3\displaystyle a_3의 범위를 올바르게 유도하고, 이로부터 a2,a1\displaystyle a_2,a_1의 범위를 순차적으로 바르게 도출한다.

(2) 다음과 같이 a3\displaystyle a_3, a2\displaystyle a_2, a1\displaystyle a_1의 범위를 순차적으로 계산한다.(가) a3\displaystyle a_3의 범위(i) f(a3)<0\displaystyle f(a_3)<0인 경우, a4=a3+1\displaystyle a_4=a_3+1이 성립한다. 따라서, 조건 32≤a4\displaystyle 32\le a_4로부터 부등식 31≤a3\displaystyle 31\le a_3를 얻는다. 하지만 이 경우 f(a3)≥0\displaystyle f(a_3)\ge0일 수 밖에 없어 모순이 된다.(ii) f(a3)≥0\displaystyle f(a_3)\ge0인 경우, a4=2a3\displaystyle a_4=2a_3이 성립한다. 따라서, 조건 32≤a4\displaystyle 32\le a_4, a3<32\displaystyle a_3<32로부터 부등식 16≤a3<32\displaystyle 16\le a_3<32를 얻는다.

(나) a2\displaystyle a_2의 범위(i) f(a2)<0\displaystyle f(a_2)<0인 경우, a3=a2+1\displaystyle a_3=a_2+1이 성립한다. 따라서, (가)의 결과 16≤a3<32\displaystyle 16\le a_3<32로부터 부등식 15≤a2<31\displaystyle 15\le a_2<31을 얻는다. 하지만 이 경우 f(a3)≥0\displaystyle f(a_3)\ge0이므로 모순이 된다.Correction. (나)(i)에서는 15≤a2<31\displaystyle 15\le a_2<31로부터 f(a2)≥0\displaystyle f(a_2)\ge0을 얻으므로, f(a3)\displaystyle f(a_3)는 f(a2)\displaystyle f(a_2)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(ii) f(a2)≥0\displaystyle f(a_2)\ge0인 경우, a3=2a2\displaystyle a_3=2a_2이 성립한다. 따라서, (가)의 결과 16≤a3<32\displaystyle 16\le a_3<32로부터 부등식 8≤a2<16\displaystyle 8\le a_2<16을 얻는다. 하지만 f(a2)≥0\displaystyle f(a_2)\ge0가 성립하기 위해서는 a2≤2\displaystyle a_2\le2 또는 a2≥15\displaystyle a_2\ge15여야 하므로, 이 조건으로부터 15≤a2<16\displaystyle 15\le a_2<16를 얻는다.

(다) a1\displaystyle a_1의 범위(i) f(a1)<0\displaystyle f(a_1)<0인 경우, a2=a1+1\displaystyle a_2=a_1+1이 성립한다. 따라서, (나)의 결과로부터 부등식 14≤a3<15\displaystyle 14\le a_3<15를 얻는다.Correction. 첫째항의 범위를 구하는 단계이므로 14≤a3<15\displaystyle 14\le a_3<15는 14≤a1<15\displaystyle 14\le a_1<15의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(ii) f(a1)≥0\displaystyle f(a_1)\ge0인 경우, a2=2a1\displaystyle a_2=2a_1이 성립한다. 따라서, (나)의 결과 15≤a2<16\displaystyle 15\le a_2<16로부터 부등식 152≤a1<8\displaystyle \frac{15}2\le a_1<8을 얻는다. 하지만 이 경우 f(a1)<0\displaystyle f(a_1)<0이므로 모순이다.

따라서 해당 조건을 만족시키는 a1\displaystyle a_1의 범위는 14≤a1<15\displaystyle 14\le a_1<15이고 최솟값은 14이다.

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