수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (115점)

자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음 부등식이 성립함을 보여라.

e2≤(1+1n)2n+1\displaystyle e^{2}\le\left(1+\frac{1}{n}\right)^{2n+1}

해설강의 준비중
+20점 · 주어진 부등식을 증명하기 위한 동치 조건이나 유효한 관계식을 세운다.

로그함수가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가함수이므로 자연수 n\displaystyle n에 대하여 2≤(2n+1)ln⁡(1+1n)\displaystyle 2\le(2n+1)\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)가 성립함을 보이면 충분하다.구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 함수f(x)=(2x+1)ln⁡(1+1x)\displaystyle f(x)=(2x+1)\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)라 하자.

+70점 · 그 관계식이 성립함을 논리적으로 보인다.

그러면lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→∞(2x+1)ln⁡(1+1x)=lim⁡x→∞2ln⁡(1+1x)x+lim⁡x→∞ln⁡(1+1x)=2\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\lim_{x\to\infty}(2x+1)\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)=\lim_{x\to\infty}2\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}+\lim_{x\to\infty}\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)=2이다.구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 미분가능하고f′(x)=2ln⁡(1+1x)−2x+1x2+x\displaystyle f^{\prime}(x)=2\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)-\frac{2x+1}{x^{2}+x}이므로 lim⁡x→∞f′(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이다.

구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 f′′(x)=1(x2+x)2>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac{1}{(x^{2}+x)^{2}}>0이므로 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 증가함수이다.따라서 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 f′(x)≤lim⁡t→∞f′(t)=0\displaystyle f^{\prime}(x)\le\lim_{t\to\infty}f^{\prime}(t)=0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소함수이다.

+25점 · 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 주어진 부등식이 성립함을 결론짓는다.

그러므로 자연수 n\displaystyle n에 대하여f(n)≥lim⁡x→∞f(x)=2\displaystyle f(n)\ge\lim_{x\to\infty}f(x)=2이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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