수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[문제 1-1](ⅰ) Z{1,2,3,5,7}={1,3,5,7}\displaystyle Z\cap\{1,2,3,5,7\}=\{1,3,5,7\}이므로 {1,3,5,7}Z\displaystyle \{1,3,5,7\}\subset Z이고 2Z\displaystyle 2\notin Z이다. 따라서 집합 Z\displaystyle Z{1,3,5,7}, {1,3,4,5,7}, {1,3,5,6,7}, {1,3,4,5,6,7}\displaystyle \{1,3,5,7\},\ \{1,3,4,5,7\},\ \{1,3,5,6,7\},\ \{1,3,4,5,6,7\} ⋯⋯ ㉠중 하나이다. 한편 Y{2,4}=Z\displaystyle Y-\{2,4\}=Z에서 4Z\displaystyle 4\notin Z이고, n(Z)=5\displaystyle n(Z)=5이므로 ㉠중에서 Z={1,3,5,6,7}\displaystyle Z=\{1,3,5,6,7\}이다.(ⅱ) Z={1,3,5,6,7}\displaystyle Z=\{1,3,5,6,7\}이고 Y{2,4}=Z\displaystyle Y-\{2,4\}=Z이므로 {1,3,5,6,7}Y\displaystyle \{1,3,5,6,7\}\subset Y이다.YU\displaystyle Y\subset U이므로 집합 Y\displaystyle Y{1,3,5,6,7}, {1,2,3,5,6,7}, {1,3,4,5,6,7}, {1,2,3,4,5,6,7}\displaystyle \{1,3,5,6,7\},\ \{1,2,3,5,6,7\},\ \{1,3,4,5,6,7\},\ \{1,2,3,4,5,6,7\} ⋯⋯ ㉡중 하나이다. 한편 X{2,3,4,6}=Y\displaystyle X\cup\{2,3,4,6\}=Y이므로 {2,3,4,6}Y\displaystyle \{2,3,4,6\}\subset Y이다. 따라서 ㉡중에서 Y={1,2,3,4,5,6,7}\displaystyle Y=\{1,2,3,4,5,6,7\}이다.(ⅲ) Y={1,2,3,4,5,6,7}\displaystyle Y=\{1,2,3,4,5,6,7\}이고 X{2,3,4,6}=Y\displaystyle X\cup\{2,3,4,6\}=Y이므로 집합 X\displaystyle X1,5,7\displaystyle 1,5,7을 반드시 포함하여야하고, n(X)=4\displaystyle n(X)=4이므로{1,2,5,7}, {1,3,5,7}, {1,4,5,7}, {1,5,6,7}\displaystyle \{1,2,5,7\},\ \{1,3,5,7\},\ \{1,4,5,7\},\ \{1,5,6,7\} ⋯⋯ ㉢중 하나이다. 따라서 ㉢중 원소의 합이 최소인 것은 {1,2,5,7}\displaystyle \{1,2,5,7\}이다.

[문제 1-2]함수 f:NX, g:NY\displaystyle f:N\to X,\ g:N\to Ylog2n=f(n)+g(n)\displaystyle \log_2n=f(n)+g(n)이라 정의하면 함수 f(n)\displaystyle f(n)log2n\displaystyle \log_2n의 정수부분이고, 함수 g(n)\displaystyle g(n)log2n\displaystyle \log_2n의 소수부분이다.(ⅰ) 조건 (가)의 1m4, 1n4\displaystyle 1\le m\le4,\ 1\le n\le4에서0log2m2, 0log2n2\displaystyle 0\le\log_2m\le2,\ 0\le\log_2n\le2이므로 f(m)=0,1,2\displaystyle f(m)=0,1,2이고 f(n)=0,1,2\displaystyle f(n)=0,1,2이다.(ⅱ) 조건 (나)에서 f(m)=f(n)+1\displaystyle f(m)=f(n)+1이므로f(n)=0, f(m)=1\displaystyle f(n)=0,\ f(m)=1인 경우와 f(n)=1, f(m)=2\displaystyle f(n)=1,\ f(m)=2인 경우가 된다.f(n)=0\displaystyle f(n)=0, f(m)=1\displaystyle f(m)=1일 때 n=1,m=2,3\displaystyle n=1,m=2,3이므로 (m,n)\displaystyle (m,n)의 순서쌍은 (2,1),(3,1)\displaystyle (2,1),(3,1)이다.f(n)=1\displaystyle f(n)=1, f(m)=2\displaystyle f(m)=2일 때 n=2,3,m=4\displaystyle n=2,3,m=4이므로 (m,n)\displaystyle (m,n)의 순서쌍은 (4,2),(4,3)\displaystyle (4,2),(4,3)이다.따라서 ①, ②에 의해 (m,n)\displaystyle (m,n)의 순서쌍은 (2,1),(3.1),(4,2),(4,3)\displaystyle (2,1),(3.1),(4,2),(4,3)이다.(ⅲ) 조건 (다)에서 g(m2)=g(n)\displaystyle g(m^2)=g(n)이므로 log2m2\displaystyle \log_2m^2log2n\displaystyle \log_2n의 소수부분은 같다.따라서 log2m2log2n\displaystyle \log_2m^2-\log_2n은 정수 값을 갖는다. 즉,log2m2log2n=log2m2n\displaystyle \log_2m^2-\log_2n=\log_2\frac{m^2}n은 정수이므로 m2n=2k\displaystyle \frac{m^2}n=2^k (k\displaystyle k는 정수)을 만족하는 (m,n)\displaystyle (m,n)의 순서쌍은 (2,1),(4,2)\displaystyle (2,1),(4,2)이다.그러므로 (i), (ii), (iii)에 의해 조건 (가), (나), (다)를 만족하는 (m,n)\displaystyle (m,n)의 순서쌍은 (2,1),(4,2)\displaystyle (2,1),(4,2)이다.

[문제 1-3]g(x)=[nx]\displaystyle g(x)=[n\sqrt x]nx=k\displaystyle n\sqrt x=k (단, k\displaystyle k는 정수)를 만족시키는 x\displaystyle x에서 불연속이다. 즉nx=k, x=kn, x=k2n2\displaystyle n\sqrt x=k,\ \sqrt x=\frac kn,\ x=\frac{k^2}{n^2}일 때 불연속이다. 따라서 g(x)\displaystyle g(x)가 불연속인 x\displaystyle x0<x<1\displaystyle 0<x<1이므로x=k2n2(k=1,2,,n1)\displaystyle x=\frac{k^2}{n^2}\quad(k=1,2,\cdots,n-1)이다. f(x)g(x)\displaystyle f(x)g(x)가 열린 구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 연속이기 위해서는 f(k2n2)=0(k=1,2,,n1)\displaystyle f\left(\frac{k^2}{n^2}\right)=0\quad(k=1,2,\cdots,n-1)이어야 하고 f(x)\displaystyle f(x)의 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1이므로f(x)=(x1n2)(x22n2)(x(n1)2n2)\displaystyle f(x)=\left(x-\frac1{n^2}\right)\left(x-\frac{2^2}{n^2}\right)\cdots\left(x-\frac{(n-1)^2}{n^2}\right)이 된다. 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 해의 합 Sn\displaystyle S_nSn=12n2+22n2++(n1)2n2=k=1n1k2n2=(n1)n(2n1)6n2\displaystyle S_n=\frac{1^2}{n^2}+\frac{2^2}{n^2}+\cdots+\frac{(n-1)^2}{n^2}=\sum_{k=1}^{n-1}\frac{k^2}{n^2}=\frac{(n-1)n(2n-1)}{6n^2}이다. 따라서limnSnn=limn(n1)n(2n1)6n3=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_n}n=\lim_{n\to\infty}\frac{(n-1)n(2n-1)}{6n^3}=\frac13이다.

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