수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

[문제 2] 함수 f(x)=ln⁡(ex+1)\displaystyle f(x)=\ln(e^x+1)이며 g(x)=x2−2x+a\displaystyle g(x)=x^2-2x+a이다.(단, ln⁡x\displaystyle \ln x는 자연로그이며 a\displaystyle a는 실수이다.) 합성함수 h(x)=(f∘g)(x)\displaystyle h(x)=(f\circ g)(x)에 대하여 아래 물음에 답하시오. [30점]

(1) 합성함수 h(x)\displaystyle h(x)가 일대일 대응이 되고 h′(x)≥0\displaystyle h^{\prime}(x)\ge0가 되는 실수 x\displaystyle x의 최대범위를 정하시오.

(2) 문제 (1)에서 정한 x\displaystyle x의 범위에서 합성함수 h(x)\displaystyle h(x)의 최솟값이 1\displaystyle 1이라고 할 때 실수 a\displaystyle a의 값을 구하시오.

(3) 문제 (1)에서 정한 x\displaystyle x의 범위에서 합성함수 h(x)\displaystyle h(x)의 역함수를 x=h−1(y)\displaystyle x=h^{-1}(y)라고 하자. y\displaystyle y의 값이 ln⁡(1+ea)\displaystyle \ln(1+e^a)일 때, dxdy\displaystyle \frac{dx}{dy}의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

(1) 먼저 2차 다항식의 완전제곱식을 이용하여 다음 수식을 구하자.g(x)=x2−2x+a=(x−1)2+a−1\displaystyle g(x)=x^2-2x+a=(x-1)^2+a-1여기에서 x≤1\displaystyle x\le1 또는 x≥1\displaystyle x\ge1인 범위에서 g(x)\displaystyle g(x)는 일대일 대응이 된다. 자연로그함수가 일대일 대응이므로 g(x)\displaystyle g(x)가 일대일 대응이 될 때 h(x)=(f∘g)(x)\displaystyle h(x)=(f\circ g)(x)도 일대일 대응이 된다. 따라서 구하는 최대범위는 x≤1\displaystyle x\le1 또는 x≥1\displaystyle x\ge1 중의 하나가 된다.

한편, 합성함수 미분에 대한 연쇄법칙을 사용하면 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 도함수 dhdx\displaystyle \frac{dh}{dx}는 아래와 같이 계산된다.dhdx=1eg(x)+1eg(x)dgdx=1ex2−2x+a+1ex2−2x+a⋅2(x−1)(A)\displaystyle \begin{aligned}\frac{dh}{dx}&=\frac1{e^{g(x)}+1}e^{g(x)}\frac{dg}{dx}\\&=\frac1{e^{x^2-2x+a}+1}e^{x^2-2x+a}\cdot2(x-1)\qquad(A)\end{aligned}이때 x≤1\displaystyle x\le1 와 x≥1\displaystyle x\ge1 중에 dhdx≥0\displaystyle \frac{dh}{dx}\ge0 조건을 만족하는 최대범위는 x≥1\displaystyle x\ge1 이다.

(2) 합성함수 h(x)=(f∘g)(x)\displaystyle h(x)=(f\circ g)(x)는 아래와 같이 표현된다.(f∘g)(x)=ln⁡(eg(x)+1)\displaystyle (f\circ g)(x)=\ln(e^{g(x)}+1)자연로그함수가 증가함수이므로 g(x)\displaystyle g(x)가 최소일 때 eg(x)+1\displaystyle e^{g(x)}+1이 최소이고 (f∘g)(x)\displaystyle (f\circ g)(x)도 최소이다. (1)에서 정한 범위 x≥1\displaystyle x\ge1에서 g(x)\displaystyle g(x)가 증가함수이고 g(x)\displaystyle g(x)는 x=1\displaystyle x=1일 때 최솟값 a−1\displaystyle a-1을 가지므로 합성함수 h(x)\displaystyle h(x)는 최솟값h(1)=(f∘g)(1)=f(a−1)=ln⁡(ea−1+1)\displaystyle h(1)=(f\circ g)(1)=f(a-1)=\ln(e^{a-1}+1)을 갖는다. h(x)\displaystyle h(x)의 최솟값이 1\displaystyle 1이므로 구하는 실수 a=1+ln⁡(e−1)\displaystyle a=1+\ln(e-1)이다.

(3) y=ln⁡(1+ea)\displaystyle y=\ln(1+e^a)가 될 때 ln⁡(ex2−2x+a+1)=ln⁡(1+ea)\displaystyle \ln(e^{x^2-2x+a}+1)=\ln(1+e^a)이므로 (1)에서 구한 범위 x≥1\displaystyle x\ge1에서 x\displaystyle x의 값은 x=2\displaystyle x=2이다.수식 (A)\displaystyle (A)로부터 아래와 같은 식을 얻는다.dxdy=1dydx=1h′(x)\displaystyle \frac{dx}{dy}=\frac1{\frac{dy}{dx}}=\frac1{h^{\prime}(x)}h′(2)=2eaea+1\displaystyle h^{\prime}(2)=\frac{2e^a}{e^a+1}이므로 구하는 값은 ea+12ea\displaystyle \frac{e^a+1}{2e^a} (또는 12(1+e−a)\displaystyle \frac12(1+e^{-a})) 이다.

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