수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

모든 실수에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음 두 조건을 만족한다.1. 정의역에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이고 미분가능하다.2. 정의역에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 증가한다.

위의 두 조건을 만족하는 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 모든 실수에서 g(x)=∫0xf(t) dt\displaystyle g(x)=\int_0^x f(t)\,dt와 같이 정의된다고 할 때 g(x)\displaystyle g(x)에 대한 다음 물음에 답하시오. [30점]

(1) 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 g′′(x)≥0\displaystyle g^{\prime\prime}(x)\ge0임을 보이시오.

(2) 임의의 양의 실수 a\displaystyle a에 대하여, 폐구간 [0,a]\displaystyle [0,a]에서 g(x)≤g(a)a⋅x\displaystyle g(x)\le\frac{g(a)}a\cdot x임을 보이시오.

(3) 임의의 양의 실수 a\displaystyle a에 대하여, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 다음 부등식을 만족함을 보이시오.∫0ag(x) dx≤a2∫0af(x) dx\displaystyle \int_0^a g(x)\,dx\le\frac a2\int_0^a f(x)\,dx

(4) 임의의 양의 실수 c\displaystyle c와 d (≥c)\displaystyle d\,(\ge c)에 대하여, f(c)≥0\displaystyle f(c)\ge0이면 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 다음 부등식을 만족함을 보이시오.(d−c)∫0cf(x) dx≤∫cdg(x) dx≤d−c2(∫0cf(x) dx+∫0df(x) dx)\displaystyle (d-c)\int_0^c f(x)\,dx\le\int_c^d g(x)\,dx\le\frac{d-c}2\left(\int_0^c f(x)\,dx+\int_0^d f(x)\,dx\right)

해설강의 준비중

(1) 미적분학의 기본정리에 의해 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 임의의 실수에 대하여 연속이고 미분가능하며 g′(x)=f(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=f(x)로 주어진다. 그러면 조건 1에 의해 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)는 미분가능하고 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 2계 도함수는 g′′(x)=f′(x)\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=f^{\prime}(x)로 주어진다. 그리고 조건 2에 의해 f(x)\displaystyle f(x)가 증가함수이므로 g′′(x)=f′(x)≥0\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=f^{\prime}(x)\ge0이다.

(2) g′′(x)≥0\displaystyle g^{\prime\prime}(x)\ge0에 의하여 구간 [0,a]\displaystyle [0,a]에서의 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 아래로 볼록이다. 그러므로 두 점 (0,0)=(0,g(0))\displaystyle (0,0)=(0,g(0))과 (a,g(a))\displaystyle (a,g(a))을 잇는 직선 y=g(a)a⋅x\displaystyle y=\frac{g(a)}a\cdot x의 그래프는 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프 위쪽에 위치한다.위의 대소관계를 식으로 나타내면 x∈[0,a]\displaystyle x\in[0,a]에 대하여 g(x)≤g(a)a⋅x\displaystyle g(x)\le\frac{g(a)}a\cdot x이다.

(3) 부등식 g(x)≤g(a)a⋅x\displaystyle g(x)\le\frac{g(a)}a\cdot x에 [0,a]\displaystyle [0,a]에서의 정적분을 적용하면∫0ag(x) dx≤∫0ag(a)ax dx=g(a)a∫0ax dx=g(a)a12a2=a2g(a)\displaystyle \int_0^a g(x)\,dx\le\int_0^a\frac{g(a)}a x\,dx=\frac{g(a)}a\int_0^a x\,dx=\frac{g(a)}a\frac12a^2=\frac a2g(a)을 얻고, g(a)=∫0af(x) dx\displaystyle g(a)=\int_0^a f(x)\,dx이므로 ∫0ag(x) dx≤a2∫0af(x) dx\displaystyle \int_0^a g(x)\,dx\le\frac a2\int_0^a f(x)\,dx이다.

(4) f(c)≥0\displaystyle f(c)\ge0이면 조건 2에 의해 폐구간 [c,d]\displaystyle [c,d]에서 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이므로, f(x)=g′(x)≥0\displaystyle f(x)=g^{\prime}(x)\ge0이고 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 [c,d]\displaystyle [c,d]에서 증가함수이다. 그러므로 x∈[c,d]\displaystyle x\in[c,d]에 대하여 g(c)≤g(x)\displaystyle g(c)\le g(x)가 성립하고∫cdg(c) dx=(d−c)g(c)=(d−c)∫0cf(x) dx≤∫cdg(x) dx\displaystyle \int_c^d g(c)\,dx=(d-c)g(c)=(d-c)\int_0^c f(x)\,dx\le\int_c^d g(x)\,dx이다. 그리고 (1)에 의하여 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프는 폐구간 [c,d]\displaystyle [c,d]위에서 (c,g(c))\displaystyle (c,g(c))와 (d,g(d))\displaystyle (d,g(d))를 연결하는 직선 아래에 있다. 그러므로 x∈[c,d]\displaystyle x\in[c,d]에 대하여 g(x)≤g(d)−g(c)d−c(x−c)+g(c)\displaystyle g(x)\le\frac{g(d)-g(c)}{d-c}(x-c)+g(c)이고 정적분을 적용하면∫cdg(x) dx≤∫cdg(d)−g(c)d−c(x−c)+g(c) dx=[g(d)−g(c)d−c(12x2−cx)+g(c)x]cd=g(d)−g(c)d−c(12d2−cd+12c2)+g(c)(d−c)=d−c2(g(d)−g(c))+d−c22g(c)=d−c2(g(c)+g(d))\displaystyle \begin{aligned}\int_c^d g(x)\,dx&\le\int_c^d\frac{g(d)-g(c)}{d-c}(x-c)+g(c)\,dx=\Biggl[\frac{g(d)-g(c)}{d-c}\left(\frac12x^2-cx\right)+g(c)x\Biggr]_c^d\\&=\frac{g(d)-g(c)}{d-c}\left(\frac12d^2-cd+\frac12c^2\right)+g(c)(d-c)=\frac{d-c}2(g(d)-g(c))+\frac{d-c}22g(c)=\frac{d-c}2(g(c)+g(d))\end{aligned}이다. 위의 관계식에 g(c)=∫0cf(x) dx\displaystyle g(c)=\int_0^c f(x)\,dx와 g(d)=∫0df(x) dx\displaystyle g(d)=\int_0^d f(x)\,dx을 대입하면 보이고자 하는 부등식의 오른쪽 부분을 얻는다.

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