수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 4번

문제

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해설강의 준비중
+70점 · 귀납적으로 정의된 수열의 성질을 이해하여 증명에 필요한 부등식을 유도한다.

an+14=34(an4)+2an1\displaystyle a_{n+1}-4=\frac{3}{4}(a_{n}-4)+\frac{2}{\sqrt{a_{n}}}-1이다. 양수 a\displaystyle a에 대하여12a=a2a=(a2)(a+2)a(a+2)=a4a(a+2)\displaystyle 1-\frac{2}{\sqrt{a}}=\frac{\sqrt{a}-2}{\sqrt{a}}=\frac{(\sqrt{a}-2)(\sqrt{a}+2)}{\sqrt{a}(\sqrt{a}+2)}=\frac{a-4}{\sqrt{a}(\sqrt{a}+2)}이므로, a>4\displaystyle a>4일 때0<12a<a48\displaystyle 0<1-\frac{2}{\sqrt{a}}<\frac{a-4}{8}이다. 따라서 a>4\displaystyle a>4일 때(a4)(3418)=34(a4)18(a4)<34(a4)(12a)<34(a4)\displaystyle (a-4)\left(\frac{3}{4}-\frac{1}{8}\right)=\frac{3}{4}(a-4)-\frac{1}{8}(a-4)<\frac{3}{4}(a-4)-\left(1-\frac{2}{\sqrt{a}}\right)<\frac{3}{4}(a-4)이므로0<34(a4)+2a1<34(a4) \displaystyle 0<\frac{3}{4}(a-4)+\frac{2}{\sqrt{a}}-1<\frac{3}{4}(a-4)\ \cdots\cdots이다.

+45점 · 수학적 귀납법을 이용하여 주어진 부등식을 증명할 수 있다.

모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0<an4(34)n1\displaystyle 0<a_{n}-4\le\left(\frac{3}{4}\right)^{n-1}이 성립함을 보이면 된다. 이를 수학적 귀납법을 이용해서 보이자.

n=1\displaystyle n=1일 때, 0<54(34)0=1\displaystyle 0<5-4\le\left(\frac{3}{4}\right)^{0}=1이므로 성립한다.n=k\displaystyle n=k일 때, 성립한다고 가정하면0<ak4(34)k1 \displaystyle 0<a_{k}-4\le\left(\frac{3}{4}\right)^{k-1}\ \cdots\cdots이므로 ak>4\displaystyle a_{k}>4이다.①, ②에 의해0<ak+14=34(ak4)+2ak1<34(ak4)(34)k\displaystyle 0<a_{k+1}-4=\frac{3}{4}(a_{k}-4)+\frac{2}{\sqrt{a_{k}}}-1<\frac{3}{4}(a_{k}-4)\le\left(\frac{3}{4}\right)^{k}이다. 따라서 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때도 성립하므로 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 0<an4(34)n1\displaystyle 0<a_{n}-4\le\left(\frac{3}{4}\right)^{n-1}이 성립한다.

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