을 으로 정의된 수열이라 하자.
(a) 의 홀수 배와의 차가 0.1 이내인 서로 다른 0 이상의 정수 세 개를 제시하고, 그에 대응하는 의 값을 구하세요. (b) 이 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요. (c) 이 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요.
참고: 이 문제는 엄밀하지는 않지만 직관적으로 이 존재하지 않는 이유를 보여 준다. 수열에서 에 가까운 항이 계속해서 나타나고, 에 가까운 항도 계속해서 나타난다. 이를 과 같은 수열과 비교해 보자. 이 수열의 항은 언제나 1 이므로 극한도 1 이다. 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 이 존재하지 않음을 보일 수 있다. 풀이를 참고하세요.
영어 원문 보기
Let be a sequence defined by .
(a) Give three different whole numbers that are within 0.1 of an odd integer multiple of , and find the corresponding values of . (b) Give three different whole numbers such that is close to . Justify your answers. (c) Give three different whole numbers such that is close to . Justify your answers.
Remark: this demonstrates intuitively, though not rigorously, why is undefined. We consistently find terms in the sequence that are close to , and also consistently find terms in the sequence that are close to 0. Contrast this to a sequence like , whose terms are always 1, and whose limit therefore is 1. It is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that is undefined. See the solution.
정답·풀이 보기
(a) 의 홀수 배 중에서 정수에 가까운 것을 찾고자 한다.
- 풀이 1: 한 가지 방법은 가 에 꽤 가깝다는 사실을 떠올리는 것이다. 그러면 에 7의 배수를 곱하면 정수에 가까운 값이 나온다. 특히 , , 는 각각 , , 에 상당히 가까울 것이다. 충분히 가까운지 확인해 보자.
따라서 실제로 , , 은 모두 의 어떤 홀수 배에서 0.1 이내에 있다.
의 홀수 배에서 코사인의 값은 이므로, 수열의 값이 모두 에 가까울 것으로 예상된다. 계산기를 사용하면 다음과 같다.
- 풀이 2: 다른 방법으로, 정수에 가까운 것이 세 개 나올 때까지 의 홀수 배를 차례로 나열해도 된다. 앞쪽의 의 홀수 배 중 일부( 와 등)는 정수에 꽤 가깝지만 0.1 이내는 아니다.
(b) 어떤 정수 에 대하여 (즉, 가 의 홀수 배)이면 이다. 따라서 의 처음 몇 개 항을 나열하여 에 아주 가까운 것 세 개를 찾거나, 근삿값 을 이용하여 에 가까운 의 값을 고르면 된다.
- 풀이 1:
따라서 이 7의 배수일 때 그 값이 정수에 가까울 것으로 예상된다. 예를 들어 , , 이다.
확인해 보자. 이 의 값들은 모두 에 꽤 가까워 보인다.
- 풀이 2: 의 처음 몇 개 값을 나열하여 에 가까운 것을 찾을 수도 있었다.
이런, 아직 아주 가까운 것이 없다. 더 나은 방법은 의 값을 나열하여 정수에 가까운 것을 찾는 것이다.
어느 정도를 “가깝다”고 받아들이느냐에 따라 다르지만, 풀이 1에서 얻은 것과 대체로 같은 후보를 찾을 수 있다.
(c) (a)와 (b)에서 쓴 방법을 그대로 사용할 수 있다. 그러나 이 에 가까운 을 이미 알고 있으므로, 다음 삼각함수 항등식을 이용하는 것이 더 쉽다.
이 항등식은 이 에 가까우면 이 에 가까움을 보여 준다. 그러므로 , , 을 시도해 보자. 조건에 맞는다.
참고: 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 이 존재하지 않음을 보일 수 있다.
- 각각의 정수 에 대하여 를 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 이므로 이다. 따라서 가 존재한다면 이어야 한다.
- 각각의 정수 에 대하여 를 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 이므로 이다. 따라서 가 존재한다면 이어야 한다.
- 과 이 동시에 성립할 수는 없으므로 은 존재하지 않는다.
참고: 이 문제는 이 정수 전체를 움직일 때 모든 수 의 집합이 갖는 성질도 암시한다. 수학자들은 이 집합이 “구간 에서 조밀하다”고 말한다. 이는 인 어떤 수 을 고르더라도, 이 반드시 과 정확히 같지는 않더라도 에 원하는 만큼 가까워지는 정수 이 있다는 뜻이다. 자주 쓰는 검색 엔진에 “ dense”를 입력하면 더 많은 것을 알아볼 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We want to find odd multiples of that are close to integers.
- Solution 1: One way to do that is to remember that is somewhat close to . Then when we multiply by a multiple of 7, we should get something close to an integer. In particular, , , and should be reasonably close to , , and , respectively. We check whether they are close enough:
So indeed, , , and are all within 0.1 of some odd multiple of .
Since the cosine of an odd multiple of is , we expect all of the sequence values to be close to . Using a calculator:
- Solution 2: Alternately, we could have just listed odd multiple of until we found three that are close to integers. Some earlier odd multiples of (like and ) get fairly close to integers, but not within 0.1.
(b) If for some integer (that is, is an odd multiple of ), then . So, we can either list out the first few terms of until we find three that are very close to , or we can use our approximation to choose values of that are close to .
- Solution 1:
So, we expect our values to be close to integers when is a multiple of 7. For example, , , and .
We check: These seem like values of that are all pretty close to 0.
- Solution 2: We could have listed the first several values of , and looked for some that are close to 0.
Oof. Nothing very close yet. Maybe a better way is to list values of , and see which ones are close to integers.
We find roughly the same candidates we did in Solution 1, depending on what we're ready to accept as “close".
(c) One can use the same strategies as we did for parts (a) and (b). But since we already know some 's with close to , it's easier to use the trig identity
This identity shows that if is close to , then is close to . So let's try , and . They do the trick.
Remark: it is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that is undefined.
- Let, for each integer , be the integer that is closest to . Then so that . Consequently, if exists, we must have .
- Let, for each integer , be the integer that is closest to . Then so that . Consequently, if exists, we must have .
- It is impossible to have both and , so does not exist.
Remark: This question also hints at a property of the set of all numbers , with running over the integers. Mathematicians say that this set is “dense in the interval ”. This means that if you pick any number , there is an integer such that , while not necessarily being exactly , is as close to as you like. If you feed “ dense” into your favourite search engine, you can find out more.