수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 양변을 적절하게 변형하면 1qn+1=2qn+1qn1\displaystyle \frac{1}{q_{n+1}}=\frac{2}{q_n}+\frac{1}{q_{n-1}}을 얻게 되고 양변에 qn\displaystyle q_n을 곱한 후 an=qn+1qn\displaystyle a_n=\frac{q_{n+1}}{q_n}이라 두면 우리는 1an=2+an1\displaystyle \frac{1}{a_n}=2+a_{n-1}을 얻게 된다. 이제 1λ=2+λ\displaystyle \frac{1}{\lambda}=2+\lambda 을 만족하는 양수 λ=1+2\displaystyle \lambda=-1+\sqrt{2} 를 잡고 두 식을 빼면 1an1λ=an1λ\displaystyle \frac{1}{a_n}-\frac{1}{\lambda}=a_{n-1}-\lambda 를 얻게 되고 1an>2\displaystyle \frac{1}{a_n}>2 이므로 anλanλan1λ<λan1λ\displaystyle |a_n-\lambda|\le|a_n\lambda||a_{n-1}-\lambda|<\lambda|a_{n-1}-\lambda| 를 얻게 된다. 수학적 귀납법에 의해 anλ<λna0λ\displaystyle |a_n-\lambda|<\lambda^n|a_0-\lambda| 이고, λ<1\displaystyle \lambda<1 이므로 극한정리로부터 limnan=λ\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\lambda 가 얻어진다.

(2) 문제 (1)에 의해 qn>qn+1\displaystyle q_n>q_{n+1} 이고 n=0qn\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}q_n은 수렴한다. 실제로 1qn+1>2qn\displaystyle \frac{1}{q_{n+1}}>\frac{2}{q_n}이므로 qn+1<12qn\displaystyle q_{n+1}<\frac{1}{2}q_n임을 알 수 있다. 그러므로 n=0qn<π8n=012n=π4\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}q_n<\frac{\pi}{8}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{2^n}=\frac{\pi}{4}을 얻게 되고 임의의 자연수 N\displaystyle N에 대하여 tan(n=0Nqn)\displaystyle \tan\left(\sum_{n=0}^{N}q_n\right)은 항상 1을 넘지 않는 양수임을 알 수 있다. 이 사실과 tan\displaystyle \tan의 합 공식 tan(α+β)=tanα+tanβ1tan(α)tan(β)\displaystyle \tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan(\alpha)\tan(\beta)}을 이용하여 수학적 귀납법을 쓰면 임의의 자연수 m\displaystyle m에 대하여 n=0mtan(qn)tan(n=0mqn)\displaystyle \sum_{n=0}^{m}\tan(q_n)\le\tan\left(\sum_{n=0}^{m}q_n\right)가 성립함을 알 수 있다. m\displaystyle m번째 반사된 공의 높이는 tan(n=0mqn)\displaystyle \tan\left(\sum_{n=0}^{m}q_n\right)을 넘지 않는데 tan(n=0mqn)<tan(n=0qn)\displaystyle \tan\left(\sum_{n=0}^{m}q_n\right)<\tan\left(\sum_{n=0}^{\infty}q_n\right) 이므로 위 식을 이용하여 n=0tan(qn)tan(n=0qn)tan(π4)=1\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}\tan(q_n)\le\tan\left(\sum_{n=0}^{\infty}q_n\right)\le\tan\left(\frac{\pi}{4}\right)=1이 됨을 알 수 있다.

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