수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

🔒
짧은 시간에 너무 많은 문제를 여셔서 열람을 잠시 제한했습니다. 잠시 후 다시 시도하시거나 로그인해 주세요.
해설강의 준비중

[문제 1-1]

+4점 · 평균값정리에 의해 ln(x+1)lnx=1c(x+1x)\displaystyle \ln(x+1)-\ln x=\frac1c(x+1-x)c\displaystyle cx\displaystyle xx+1\displaystyle x+1사이에 존재한다.

(1) [풀이] f(x)=lnp(x)\displaystyle f(x)=\ln p(x)라 놓고 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1을 보이면 된다. 실수 a\displaystyle a를 잡고 고정시킨다고 하자. 평균값정리에 의해ln(x+1)lnx=1c(x+1x)\displaystyle \ln(x+1)-\ln x=\frac1c(x+1-x)c\displaystyle cx\displaystyle xx+1\displaystyle x+1사이에 존재한다.

+2점 · 정리하면 ln(1+1x)=1c\displaystyle \ln(1+\frac1x)=\frac1c이고 c=x+αx(0<αx<1)\displaystyle c=x+\alpha_x(0<\alpha_x<1)로 표현

정리하면 ln(1+1x)=1c\displaystyle \ln(1+\frac1x)=\frac1c이고 c=x+αx(0<αx<1)\displaystyle c=x+\alpha_x(0<\alpha_x<1)로 표현하면

+2점 · limx(x+a)ln(1+1x)=limxx+ax+αx\displaystyle \lim_{x\to\infty}(x+a)\ln(1+\frac1x)=\lim_{x\to\infty}\frac{x+a}{x+\alpha_x}가 되어 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1

limx(x+a)ln(1+1x)=limxx+ax+αx\displaystyle \lim_{x\to\infty}(x+a)\ln(1+\frac1x)=\lim_{x\to\infty}\frac{x+a}{x+\alpha_x}가 되어 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1따라서 limxlnp(x)=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}\ln p(x)=e.Correction. 이 문장의 limxlnp(x)=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}\ln p(x)=elimxlnp(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}\ln p(x)=1 또는 limxp(x)=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}p(x)=e이어야 한다. 바로 앞에서 구한 극한은 1이다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[참고1] limxlnp(x)=limx(x+ax)ln(1+1x)x=1×lne=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}\ln p(x)=\lim_{x\to\infty}(\frac{x+a}x)\ln(1+\frac1x)^x=1\times\ln e=1[참고2] limxp(x)=limx(1+1x)x(1+1x)a=limx(1+1x)xlimx(1+1x)a=e×1a=e\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to\infty}p(x)&=\lim_{x\to\infty}(1+\frac1x)^x(1+\frac1x)^a\\&=\lim_{x\to\infty}(1+\frac1x)^x\lim_{x\to\infty}(1+\frac1x)^a=e\times1^a=e\end{aligned}

+3점 · 결론을 부정하면 f(x0)0\displaystyle f(x_0)\ge0x0>0\displaystyle x_0>0가 존재한다.

(2) [풀이] 결론을 부정하면 f(x0)0\displaystyle f(x_0)\ge0x0>0\displaystyle x_0>0가 존재한다.

+3점 · 모든 x>0\displaystyle x>0에 대하여 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 f(x0+1)>f(x0)0\displaystyle f(x_0+1)>f(x_0)\ge0이고 모든 x>x0+1\displaystyle x>x_0+1에 대하여 f(x)>f(x0+1)\displaystyle f(x)>f(x_0+1)이다.

모든 x>0\displaystyle x>0에 대하여 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 f(x0+1)>f(x0)0\displaystyle f(x_0+1)>f(x_0)\ge0이고 모든 x>x0+1\displaystyle x>x_0+1에 대하여 f(x)>f(x0+1)\displaystyle f(x)>f(x_0+1)이다.

+2점 · 이는 0=limxf(x)f(x0+1)\displaystyle 0=\lim_{x\to\infty}f(x)\ge f(x_0+1) 이므로 모순이다.

이는 0=limxf(x)f(x0+1)\displaystyle 0=\lim_{x\to\infty}f(x)\ge f(x_0+1) 이므로 모순이다.

[문제 1-2]

+2점 · (1) f(x)=ln(1+1x)x+ax(x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(1+\frac1x)-\frac{x+a}{x(x+1)} 이므로 limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0 (실수 a\displaystyle a에 대하여 성립)

[풀이] (1) f(x)=(x+a)ln(1+1x)\displaystyle f(x)=(x+a)\ln(1+\frac1x)라 하면f(x)=ln(1+1x)+(x+a)(1x+11x)=ln(1+1x)x+ax(x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(1+\frac1x)+(x+a)(\frac1{x+1}-\frac1x)=\ln(1+\frac1x)-\frac{x+a}{x(x+1)} 이므로limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0 (실수 a\displaystyle a에 대하여 성립)

+2점 · f(x)=(2a1)x+a(x(x+1))2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac{(2a-1)x+a}{(x(x+1))^2}

f(x)=1x+11xx(x+1)(x+a)(2x+1)(x(x+1))2=(2a1)x+a(x(x+1))2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac1{x+1}-\frac1x-\frac{x(x+1)-(x+a)(2x+1)}{(x(x+1))^2}=\frac{(2a-1)x+a}{(x(x+1))^2}

+2점 · a12\displaystyle a\ge\frac12이므로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0 이고 limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0

a12\displaystyle a\ge\frac12이므로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0 이고 limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0

+2점 · [문제 1-1] (1)에서 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1이고 명제 2)에 의해 f(x)>1\displaystyle f(x)>1.

[문제 1-1] (1)에서 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1이고 명제 2)에 의해 f(x)>1\displaystyle f(x)>1.

+1점 · 따라서 p(x)=ef(x)>e1=e\displaystyle p(x)=e^{f(x)}>e^1=e (x>0\displaystyle x>0)

따라서 p(x)=ef(x)>e1=e\displaystyle p(x)=e^{f(x)}>e^1=e (x>0\displaystyle x>0)

+2점 · (2) f(x)=ln(1+1x)x+ax(x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(1+\frac1x)-\frac{x+a}{x(x+1)} 이므로 limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0 (실수 a\displaystyle a에 대하여 성립)

[풀이] (2) f(x)=(x+a)ln(1+1x)\displaystyle f(x)=(x+a)\ln(1+\frac1x)라 하면f(x)=ln(1+1x)+(x+a)(1x+11x)=ln(1+1x)x+ax(x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(1+\frac1x)+(x+a)(\frac1{x+1}-\frac1x)=\ln(1+\frac1x)-\frac{x+a}{x(x+1)} 이므로limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0 (실수 a\displaystyle a에 대하여 성립)

+2점 · f(x)=(2a1)x+a(x(x+1))2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac{(2a-1)x+a}{(x(x+1))^2}

f(x)=1x+11xx(x+1)(x+a)(2x+1)(x(x+1))2=(2a1)x+a(x(x+1))2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac1{x+1}-\frac1x-\frac{x(x+1)-(x+a)(2x+1)}{(x(x+1))^2}=\frac{(2a-1)x+a}{(x(x+1))^2}

+2점 · a0\displaystyle a\le0이므로 f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0 이고, limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0

a0\displaystyle a\le0이므로 f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0 이고, limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0

+2점 · [문제 1-1] (1)에서 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1이고 명제 1)에 의해 f(x)<1\displaystyle f(x)<1.

[문제 1-1] (1)에서 limxf(x)=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1이고 명제 1)에 의해 f(x)<1\displaystyle f(x)<1.

+1점 · 따라서 p(x)=ef(x)<e1=e\displaystyle p(x)=e^{f(x)}<e^1=e (x>0\displaystyle x>0)

따라서 p(x)=ef(x)<e1=e\displaystyle p(x)=e^{f(x)}<e^1=e (x>0\displaystyle x>0)

[문제 1-3]

+4점 · f(a12a)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(\frac a{1-2a})=0이고 부호가 +\displaystyle +에서 \displaystyle -로 변하므로 f(a12a)\displaystyle f^{\prime}(\frac a{1-2a})는 유일한 극값이고 극댓값. limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로 f(a12a)>0\displaystyle f^{\prime}(\frac a{1-2a})>0

(1) [풀이] f(a12a)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(\frac a{1-2a})=0이고 부호가 +\displaystyle +에서 \displaystyle -로 변하므로f(a12a)=ln(1aa)2(12a)\displaystyle f^{\prime}(\frac a{1-2a})=\ln(\frac{1-a}a)-2(1-2a)는 유일한 극값이고 극댓값. limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=0이므로f(a12a)=ln(1aa)2(12a)>0\displaystyle f^{\prime}(\frac a{1-2a})=\ln(\frac{1-a}a)-2(1-2a)>0임은 분명하다.

+4점 · g(t)=lntat=t(lntta)\displaystyle g(t)=\ln t-at=t(\frac{\ln t}t-a)를 생각하면 limtg(t)=\displaystyle \lim_{t\to\infty}g(t)=-\infty이므로 limx0+f(x)=\displaystyle \lim_{x\to0+}f^{\prime}(x)=-\infty

Correction. 그림의 극댓점 아래에 표시된 a212a\displaystyle \frac{a^2}{1-2a}a12a\displaystyle \frac a{1-2a}이어야 한다. 앞의 이계도함수 계산에서 극댓점의 위치를 확인할 수 있다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

f(x)=ln(x+1)+x+ax+11lnxax\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(x+1)+\frac{x+a}{x+1}-1-\ln x-\frac ax에서g(t)=lntat=t(lntta)\displaystyle g(t)=\ln t-at=t(\frac{\ln t}t-a)를 생각하면limtg(t)=\displaystyle \lim_{t\to\infty}g(t)=-\infty이므로 limx0+f(x)=\displaystyle \lim_{x\to0+}f^{\prime}(x)=-\infty이므로 그래프 개형은 다음과 같다.

도함수 f′(x)가 증가하다 감소하여 0에 수렴하는 그래프
+2점 · 사이값 정리에 의해 구간 (0,a12a)\displaystyle (0,\frac a{1-2a})f(x0)=0\displaystyle f^{\prime}(x_0)=0되는 점 x0\displaystyle x_0가 존재한다. 이 점에서의 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호는 \displaystyle -에서 +\displaystyle +로 변하고 유일한 극값이므로 x=x0\displaystyle x=x_0에서 최소값을 갖는다.

따라서 사이값 정리에 의해 구간 (0,a12a)\displaystyle (0,\frac a{1-2a})f(x0)=0\displaystyle f^{\prime}(x_0)=0되는 점 x0\displaystyle x_0가 존재한다. 이 점에서의 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호는 \displaystyle -에서 +\displaystyle +로 변하고 유일한 극값이므로 x=x0\displaystyle x=x_0에서 최소값을 갖는다.

+3점 · f(a212a)=2ln1aa(12a)1a(1a)\displaystyle f^{\prime}(\frac{a^2}{1-2a})=2\ln\frac{1-a}a-(1-2a)\frac1{a(1-a)}

(2) [풀이] f(a212a)=ln(1+12aa2)a212a+aa212a(1+a212a)=ln(a1)2a2(12a)a2+a(12a)a2(a1)2=2ln1aa(12a)a(1a)a2(a1)2=2ln1aa(12a)1a(1a)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(\frac{a^2}{1-2a})&=\ln(1+\frac{1-2a}{a^2})-\frac{\frac{a^2}{1-2a}+a}{\frac{a^2}{1-2a}(1+\frac{a^2}{1-2a})}\\&=\ln\frac{(a-1)^2}{a^2}-(1-2a)\frac{a^2+a(1-2a)}{a^2(a-1)^2}=2\ln\frac{1-a}a-(1-2a)\frac{a(1-a)}{a^2(a-1)^2}\\&=2\ln\frac{1-a}a-(1-2a)\frac1{a(1-a)}\end{aligned}

+3점 · h(a)=(2a1)2(a(1a))2>0\displaystyle h^{\prime}(a)=\frac{(2a-1)^2}{(a(1-a))^2}>0이고 h(12)=0\displaystyle h(\frac12)=0이므로 모든 a\displaystyle a (0<a<12\displaystyle 0<a<\frac12)에 대하여 h(a)<0\displaystyle h(a)<0이고 f(a212a)<0\displaystyle f^{\prime}(\frac{a^2}{1-2a})<0.

이므로h(a)=2ln1aa(12a)1a(1a)\displaystyle h(a)=2\ln\frac{1-a}a-(1-2a)\frac1{a(1-a)}라 두고 미분하면h(a)=2(11a1a)2a(1a)(12a)2(a(1a))2=2a1+aa(1a)2a(1a)(12a)2(a(1a))2=2a(1a)2a2+2a1(a(1a))2=2a(1a)+2a22a+1(a(1a))2=(2a1)2(a(1a))2\displaystyle \begin{aligned}h^{\prime}(a)&=2(-\frac1{1-a}-\frac1a)-\frac{-2a(1-a)-(1-2a)^2}{(a(1-a))^2}=2\frac{-a-1+a}{a(1-a)}-\frac{-2a(1-a)-(1-2a)^2}{(a(1-a))^2}\\&=\frac{-2}{a(1-a)}-\frac{-2a^2+2a-1}{(a(1-a))^2}\\&=\frac{-2a(1-a)+2a^2-2a+1}{(a(1-a))^2}=\frac{(2a-1)^2}{(a(1-a))^2}\end{aligned} >0\displaystyle >0이고 h(12)=0\displaystyle h(\frac12)=0이므로모든 a\displaystyle a (0<a<12\displaystyle 0<a<\frac12)에 대하여 h(a)<0\displaystyle h(a)<0이고 f(a212a)<0\displaystyle f^{\prime}(\frac{a^2}{1-2a})<0.따라서 a212a<x0\displaystyle \frac{a^2}{1-2a}<x_0.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.