수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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모든 실수 x,y\displaystyle x,y에 대해 만족하는 다음 식f(x+y)f(xy)=2f(y)f(x)\displaystyle f(x+y)-f(x-y)=2f(y)f^{\prime}(x)을 식(1)이라고 하자.

1단계 · 모든 실수 x,y\displaystyle x,y에 대해 만족하는 다음 식f(x+y)f(xy)=2f(y)f(x)\displaystyle f(x+y)-f(x-y)=2f(y)f^{\prime}(x)을 식(1)이라고 하자.f(0)\displaystyle f^{\prime}(0)의 값을 구할 수 있다.식 (1)을 0이 아닌 실수 y\displaystyle y로 나누고 f(0)=0\displaystyle f(0)=0임을 이용하면f(x+y)f(xy)2y=f(y)f(0)yf(x)\displaystyle \frac{f(x+y)-f(x-y)}{2y}=\frac{f(y)-f(0)}y f^{\prime}(x)이다. y\displaystyle y가 0으로 가까이 가면limy0f(x+y)f(xy)2y=limy0f(y)f(0)yf(x)\displaystyle \lim_{y\to0}\frac{f(x+y)-f(x-y)}{2y}=\lim_{y\to0}\frac{f(y)-f(0)}y f^{\prime}(x)미분계수의 정의에 의해f(x)=f(0)f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(0)f^{\prime}(x)이므로 f(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=1 또는 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 상수함수 0이다. f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 f(1)=a>0\displaystyle f(1)=a>0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 상수함수 0이 될 수 없다. 따라서 f(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=1이다.

[1단계]식 (1)을 0이 아닌 실수 y\displaystyle y로 나누고 f(0)=0\displaystyle f(0)=0임을 이용하면f(x+y)f(xy)2y=f(y)f(0)yf(x)\displaystyle \frac{f(x+y)-f(x-y)}{2y}=\frac{f(y)-f(0)}y f^{\prime}(x)이다. y\displaystyle y가 0으로 가까이 가면limy0f(x+y)f(xy)2y=limy0f(y)f(0)yf(x)\displaystyle \lim_{y\to0}\frac{f(x+y)-f(x-y)}{2y}=\lim_{y\to0}\frac{f(y)-f(0)}y f^{\prime}(x)미분계수의 정의에 의해f(x)=f(0)f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(0)f^{\prime}(x)이므로 f(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=1 또는 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 상수함수 0이다. f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 f(1)=a>0\displaystyle f(1)=a>0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 상수함수 0이 될 수 없다. 따라서 f(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=1이다.

2단계 · f(0)\displaystyle f^{\prime\prime}(0)의 값을 구할 수 있다.식 (1)에 x=0\displaystyle x=0을 대입하면 f(y)=f(y)\displaystyle f(y)=-f(-y)를 유도할 수 있고, 양변을 y\displaystyle y에 관하여 미분하면 f(y)=f(y)\displaystyle f^{\prime}(y)=f^{\prime}(-y)를 얻는다. 식(1)에 y=1\displaystyle y=1을 대입하면f(x+1)f(x1)=2f(1)f(x)\displaystyle f(x+1)-f(x-1)=2f(1)f^{\prime}(x)f(1)=a\displaystyle f(1)=a를 대입하고 위 식을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면f(x+1)f(x1)=2af(x)\displaystyle f^{\prime}(x+1)-f^{\prime}(x-1)=2af^{\prime\prime}(x)이다. x=0\displaystyle x=0을 대입하고 f(y)=f(y)\displaystyle f^{\prime}(y)=f^{\prime}(-y)임을 이용하면,2af(0)=f(1)f(1)=0\displaystyle 2af^{\prime\prime}(0)=f^{\prime}(1)-f^{\prime}(-1)=0이므로 f(0)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(0)=0이다.[2단계 다른 풀이] 와 같이 풀 수도 있다.

[2단계]식 (1)에 x=0\displaystyle x=0을 대입하면 f(y)=f(y)\displaystyle f(y)=-f(-y)를 유도할 수 있고, 양변을 y\displaystyle y에 관하여 미분하면 f(y)=f(y)\displaystyle f^{\prime}(y)=f^{\prime}(-y)를 얻는다. 식(1)에 y=1\displaystyle y=1을 대입하면f(x+1)f(x1)=2f(1)f(x)\displaystyle f(x+1)-f(x-1)=2f(1)f^{\prime}(x)f(1)=a\displaystyle f(1)=a를 대입하고 위 식을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면f(x+1)f(x1)=2af(x)\displaystyle f^{\prime}(x+1)-f^{\prime}(x-1)=2af^{\prime\prime}(x)이다. x=0\displaystyle x=0을 대입하고 f(y)=f(y)\displaystyle f^{\prime}(y)=f^{\prime}(-y)임을 이용하면,2af(0)=f(1)f(1)=0\displaystyle 2af^{\prime\prime}(0)=f^{\prime}(1)-f^{\prime}(-1)=0이므로 f(0)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(0)=0이다.

3단계 · 02f(x)dx\displaystyle \int_0^2f(x)dx의 값을 구할 수 있다.식 (1)에서 y=x\displaystyle y=x를 대입하면 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(2x)=2f(x)f(x)\displaystyle f(2x)=2f(x)f^{\prime}(x)이고02f(x)dx=012f(2t)dt=014f(t)f(t)dt=[2{f(t)}2]01=2({f(1)}2{f(0)}2)=2a2\displaystyle \int_0^2f(x)dx=\int_0^12f(2t)dt=\int_0^14f(t)f^{\prime}(t)dt=\Biggl[2\{f(t)\}^2\Biggr]_0^1=2(\{f(1)\}^2-\{f(0)\}^2)=2a^2을 유도할 수 있다.

[3단계]식 (1)에서 y=x\displaystyle y=x를 대입하면 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(2x)=2f(x)f(x)\displaystyle f(2x)=2f(x)f^{\prime}(x)이고02f(x)dx=012f(2t)dt=014f(t)f(t)dt=[2{f(t)}2]01=2({f(1)}2{f(0)}2)=2a2\displaystyle \int_0^2f(x)dx=\int_0^12f(2t)dt=\int_0^14f(t)f^{\prime}(t)dt=\Biggl[2\{f(t)\}^2\Biggr]_0^1=2(\{f(1)\}^2-\{f(0)\}^2)=2a^2을 유도할 수 있다.

배점채점 기준
S세 단계를 모두 보이고 논증이 매끄러운 경우
A세 단계를 모두 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
B세 단계 중 두 단계를 보이고 논증이 매끄러운 경우
C세 단계 중 두 단계를 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
D세 단계 중 한 단계를 보이고 논증이 매끄러운 경우
E세 단계 중 한 단계를 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
F어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우

첨삭 사례

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