수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

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문제

[문제 3] 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 연속함수일 때, 아래의 물음에 답하시오.

(1) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 우함수이고 a=0\displaystyle a=0일 때, 아래와 같이 정의된 함수 F(t)\displaystyle F(t)가 기함수임을 보이시오. [10점]F(t)=∫atf(x) dx\displaystyle F(t)=\int_a^t f(x)\,dx

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수이고 a\displaystyle a가 임의의 실수일 때, F(t)=∫atf(x) dx\displaystyle F(t)=\int_a^t f(x)\,dx가 우함수임을 보이시오. [10점]

(3) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수이면서 주기가 p\displaystyle p인 주기함수이고 a\displaystyle a가 임의의 실수일 때, F(t)=∫atf(x) dx\displaystyle F(t)=\int_a^t f(x)\,dx도 역시 주기가 p\displaystyle p인 주기함수임을 보이시오. [10점]

(4) a\displaystyle a와 b\displaystyle b가 a<b\displaystyle a<b를 만족하는 실수이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서∫abf(x)x2016 dx=0\displaystyle \int_a^b f(x)x^{2016}\,dx=0을 만족할 때, f(x)=0\displaystyle f(x)=0가 성립하는 x\displaystyle x가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 적어도 하나 있음을 보이시오. [10점]

해설강의 준비중

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속함수이므로 임의의 유계인 닫힌 구간에서 항상 적분가능하다.

[문제 3]-(1) : F(t)\displaystyle F(t)가 기함수임을 보이려면 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=−F(−t)\displaystyle F(t)=-F(-t)가 성립함을 보이면 된다. 정적분의 적분 구간 성질 또는 치환적분에 의해−F(−t)=−∫0−tf(x) dx=∫−t0f(x) dx=∫0tf(−x) dx\displaystyle -F(-t)=-\int_0^{-t}f(x)\,dx=\int_{-t}^0 f(x)\,dx=\int_0^t f(-x)\,dx이 성립하고, f(x)\displaystyle f(x)가 우함수이므로 f(x)=f(−x)\displaystyle f(x)=f(-x) 성질에 의하여 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여−F(−t)=−∫0−tf(x) dx=∫−t0f(x) dx=∫0tf(−x) dx=∫0tf(x) dx=F(t)\displaystyle -F(-t)=-\int_0^{-t}f(x)\,dx=\int_{-t}^0 f(x)\,dx=\int_0^t f(-x)\,dx=\int_0^t f(x)\,dx=F(t)이다. 그러므로 F(t)\displaystyle F(t)는 기함수이다.

[문제 3]-(2) : F(t)\displaystyle F(t)가 우함수임을 보이려면 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=F(−t)\displaystyle F(t)=F(-t)가 성립함을 보이면 된다. 정적분의 적분 구간 성질에 의해F(t)−F(−t)=∫atf(x) dx−∫a−tf(x) dx=∫atf(x) dx+∫−taf(x) dx=∫−ttf(x) dx\displaystyle F(t)-F(-t)=\int_a^t f(x)\,dx-\int_a^{-t}f(x)\,dx=\int_a^t f(x)\,dx+\int_{-t}^a f(x)\,dx=\int_{-t}^t f(x)\,dx으로 표현된다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수이므로 원점에 대하여 대칭인 성질에 의하여∫−ttf(x) dx=0\displaystyle \int_{-t}^t f(x)\,dx=0이 성립한다. 따라서 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=F(−t)\displaystyle F(t)=F(-t)가 성립하고 F(t)\displaystyle F(t)는 우함수이다.

[문제 3]-(3) : F(t)\displaystyle F(t)가 주기가 p\displaystyle p인 주기함수임을 보이려면 F(t+p)=F(t)\displaystyle F(t+p)=F(t)임을 보이면 된다. 그리고 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 위의 등식을 적분으로 나타내어 보면F(t+p)=∫at+pf(x) dx=∫atf(x) dx+∫tt+pf(x) dx=F(t)+∫tt+pf(x) dx\displaystyle F(t+p)=\int_a^{t+p}f(x)\,dx=\int_a^t f(x)\,dx+\int_t^{t+p}f(x)\,dx=F(t)+\int_t^{t+p}f(x)\,dx이 성립함으로 실제로는 ∫tt+pf(x) dx=0\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=0을 보이면 충분하다.

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 주기가 p\displaystyle p인 주기함수이고 닫힌구간 [t,t+p]\displaystyle [t,t+p]의 길이가 p\displaystyle p이므로 주기함수의 적분 성질에 의해∫tt+pf(x) dx=∫0pf(x) dx=∫−p2p2f(x) dx\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=\int_0^p f(x)\,dx=\int_{-\frac p2}^{\frac p2}f(x)\,dx이 성립한다. 그리고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수임으로 원점에 대한 대칭 성질에 의하여∫−p2p2f(x) dx=0\displaystyle \int_{-\frac p2}^{\frac p2}f(x)\,dx=0이다. 따라서 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 ∫tt+pf(x) dx=0\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=0이 성립하고 F(t)\displaystyle F(t)는 주기가 p\displaystyle p인 주기함수이다.

[문제 3]-(4) : f(x)=0\displaystyle f(x)=0가 성립하는 x\displaystyle x가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 존재하지 않는다고 가정하자. 그러면 f(x)\displaystyle f(x)가 연속함수이므로 중간값 정리에 의해 모든 x∈[a,b]\displaystyle x\in[a,b]에 대하여 0<f(x)\displaystyle 0<f(x)가 성립하거나 f(x)<0\displaystyle f(x)<0가 성립한다. 편의상 0<f(x)\displaystyle 0<f(x)가 성립한다고 하자. 그러면 최대 최소 정리에 의해 모든 x∈[a,b]\displaystyle x\in[a,b]에 대하여 0<m≤f(x)\displaystyle 0<m\le f(x)을 만족하는 실수 m\displaystyle m이 존재한다. 그리고 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 0≤x2016\displaystyle 0\le x^{2016}이므로∫abf(x)x2016 dx≥∫abmx2016 dx=m∫abx2016 dx\displaystyle \int_a^b f(x)x^{2016}\,dx\ge\int_a^b mx^{2016}\,dx=m\int_a^b x^{2016}\,dx가 성립한다. 한편 a<b\displaystyle a<b조건에 의해 ∫abx2016 dx>0\displaystyle \int_a^b x^{2016}\,dx>0이므로∫abf(x)x2016 dx≥m∫abx2016 dx≠0\displaystyle \int_a^b f(x)x^{2016}\,dx\ge m\int_a^b x^{2016}\,dx\ne0이어서 ∫abf(x)x2016 dx=0\displaystyle \int_a^b f(x)x^{2016}\,dx=0 조건과 모순이다. 따라서 f(x)=0\displaystyle f(x)=0가 성립하는 x\displaystyle x가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 존재하지 않는다는 가정은 거짓이고, f(x)=0\displaystyle f(x)=0가 성립하는 x\displaystyle x가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 적어도 하나 있어야 한다.

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