수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1]

다음 물음에 답하여라.

(a) 함수 f(x)=ln⁡xx\displaystyle f ( x ) = \frac{{\ln x}}{x}의 그래프를 이용하여, 다음 부등식이 성립함을 보여라. [40점]∫23ln⁡xxdx<1e\displaystyle \int_{2}^{3} {\frac{{\ln x}}{x} d x} < \frac{{1}}{e}

(b) n\displaystyle n이 3\displaystyle 3 이상의 자연수일 때, 다음 부등식이 성립함을 보여라. [60점](ln⁡n)22<ln⁡(212313414⋯⋯n1n)+1e\displaystyle \frac{{\left( \ln n \right)^{2}}}{2} < \ln \left( 2^{\frac{{1}}{2}} 3^{\frac{{1}}{3}} 4^{\frac{{1}}{4}} \cdots \cdots n^{\frac{{1}}{n}} \right) + \frac{{1}}{e}

해설강의 준비중

(a) (총 40점)

+20점

함수 f(x)=ln⁡xx\displaystyle f ( x ) = \frac{{\ln x}}{x}는 구간 (0,∞)\displaystyle ( 0 , \infty )에서 미분가능하고 f′(x)=1−ln⁡xx2\displaystyle f^{\prime} ( x ) = \frac{{1 - \ln x}}{x^{2}}이므로,

구간 [1,∞)\displaystyle [ 1 , \infty )에서 f(x)\displaystyle f ( x )의 증가와 감소는 아래 표와 같다.

x\displaystyle x1⋯\displaystyle \cdotse\displaystyle e⋯\displaystyle \cdots
f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)+\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -
f(x)\displaystyle f(x)0\displaystyle 0↗\displaystyle \nearrow1e\displaystyle \frac1e↘\displaystyle \searrow
+20점

2≤x≤3\displaystyle 2 \leq x \leq 3, x≠e\displaystyle x \ne e이면 ln⁡xx<1e\displaystyle \frac{{\ln x}}{x} < \frac{{1}}{e} 이므로∫23ln⁡xxdx<∫231edx=1e\displaystyle \int_{2}^{3} {\frac{{\ln x}}{x} d x} < \int_{2}^{3} {\frac{{1}}{e} d x} = \frac{{1}}{e}이다.

(b) (총 60점)

+30점

함수 f(x)=ln⁡xx\displaystyle f ( x ) = \frac{{\ln x}}{x}는 구간 [1,2]\displaystyle [ 1 , 2 ]에서 증가하므로∫12ln⁡xxdx<∫12ln⁡22dx=ln⁡22\displaystyle \int_{1}^{2} {\frac{{\ln x}}{x} d x <} \int_{1}^{2} {\frac{{\ln 2}}{2} d x =} \frac{{\ln 2}}{2}이고, 구간 [3,n+1]\displaystyle [ 3 , n + 1 ]에서 감소하므로∫3n+1ln⁡xxdx=∑k=3n∫kk+1ln⁡xxdx<∑k=3n∫kk+1ln⁡kkdx=∑k=3nln⁡kk\displaystyle \int_{3}^{n + 1} {\frac{{\ln x}}{x} d x} = \sum_{k = 3}^{n} \int_{k}^{k + 1} {\frac{{\ln x}}{x} d x} < \sum_{k = 3}^{n} \int_{k}^{k + 1} {\frac{{\ln k}}{k} d x} = \sum_{k = 3}^{n} \frac{{\ln k}}{k}이다.

+30점

ln⁡n<ln⁡(n+1)\displaystyle \ln n < \ln ( n + 1 )이고 ∫23ln⁡xxdx<1e\displaystyle \int_{2}^{3} {\frac{{\ln x}}{x} d x <} \frac{{1}}{e}이므로(ln⁡n)22<12(ln⁡(n+1))2=∫1n+1ln⁡xx dx=∫12ln⁡xx dx+∫23ln⁡xx dx+∑k=3n∫kk+1ln⁡xx dx<∑k=2nln⁡kk+1e=ln⁡(212313⋯⋯n1n)+1e\displaystyle \begin{aligned}\frac{(\ln n)^2}2<\frac12\bigl(\ln(n+1)\bigr)^2=\int_1^{n+1}\frac{\ln x}x\,dx&=\int_1^2\frac{\ln x}x\,dx+\int_2^3\frac{\ln x}x\,dx+\sum_{k=3}^n\int_k^{k+1}\frac{\ln x}x\,dx\\&<\sum_{k=2}^n\frac{\ln k}k+\frac1e\\&=\ln\left(2^{\frac12}3^{\frac13}\cdots\cdots n^{\frac1n}\right)+\frac1e\end{aligned}이다.

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