수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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(a) h(x)=xln(x+1)\displaystyle h ( x ) = x - \ln ( x + 1 )라 하면 h(0)=0\displaystyle h ( 0 ) = 0이고, x>0\displaystyle x > 0일 때 h(x)=11x+1>0\displaystyle h^{\prime} ( x ) = 1 - \frac{1}{x+1} > 0이므로 h(x)>0\displaystyle h ( x ) > 0이다.

따라서 x>0\displaystyle x > 0일 때 0<f(x)=x(xln(x+1))ex\displaystyle 0 < f ( x ) = \frac{{x ( x - \ln ( x + 1 ) )}}{e^{x}}이다.

+40점

x>0\displaystyle x > 0일 때 ln(x+1)>0\displaystyle \ln ( x + 1 ) > 0이므로 xln(x+1)ex<xex\displaystyle \frac{{x - \ln ( x + 1 )}}{e^{x}} < \frac{x}{e^{x}}이다.

이제 g(x)=xex\displaystyle g ( x ) = \frac{x}{e^{x}}라 하면 g(x)=(1x)ex\displaystyle g^{\prime} ( x ) = ( 1 - x ) e^{-x}이므로 g(x)\displaystyle g ( x )x=1\displaystyle x = 1에서 최댓값 g(1)=1e\displaystyle g ( 1 ) = \frac{1}{e}을 가진다.

따라서g(x)1e<12\displaystyle g(x)\le\frac1e<\frac12이므로xln(x+1)ex<12\displaystyle \frac{x-\ln(x+1)}{e^x}<\frac12임을 보였다.

그러므로 x>0\displaystyle x > 0일 때 f(x)<12x\displaystyle f ( x ) < \frac{1}{2} x이다.

+20점

(b) (a)에 의하여0<a1=f(1)<12,0<a2=f(a1)<12a1<1212\displaystyle 0<a_1=f(1)<\frac12,\quad0<a_2=f(a_1)<\frac12a_1<\frac12\cdot\frac12이다. 이를 반복적으로 적용하면0<an<(12)n\displaystyle 0<a_n<\left(\frac12\right)^n이므로0an(12)n\displaystyle 0\le a_n\le\left(\frac12\right)^n을 얻는다.

+20점

위 부등식의 양쪽 수열에 극한을 택하면limn0=0=limn(12)n\displaystyle \lim_{n\to\infty}0=0=\lim_{n\to\infty}\left(\frac12\right)^n이므로 극한의 성질에 의하여 limnan=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = 0이다.

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