수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 3번

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문제

[문제 3] 정의역이 양의 실수 집합인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f(ab)=f(a)+f(b)\displaystyle f(ab)=f(a)+f(b) (단, a>0,b>0\displaystyle a>0,b>0)를 만족시킨다고 할 때, 아래 물음에 답하시오. [35점]

(1) 두 양의 실수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b에 대하여 f(ab)=f(a)−f(b)\displaystyle f\left(\frac{a}{b}\right)=f(a)-f(b)이 성립함을 보이고, f(1)\displaystyle f(1)의 값을 구하시오.

(2) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x와 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(xn)=nf(x)\displaystyle f(x^{n})=nf(x)와 f(x1n)=1nf(x)\displaystyle f\left(x^{\frac{1}{n}}\right)=\frac{1}{n}f(x)이 성립함을 보이시오.

(3) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x와 임의의 유리수 q\displaystyle q에 대하여 f(xq)=qf(x)\displaystyle f(x^{q})=qf(x)이 성립함을 보이시오.

(4) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 연속이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 양의 실수 집합에서 연속임을 보이시오.

(5) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하면 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)=f′(1)x\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(1)}{x}이 성립함을 보이시오.

해설강의 준비중

(1) 두 양의 실수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b에 대하여 f(ab)=f(a)−f(b)\displaystyle f\left(\frac{a}{b}\right)=f(a)-f(b)이 성립함을 보이고, f(1)\displaystyle f(1)의 값을 구하시오.풀이: f(1)=f(1⋅1)=f(1)+f(1)\displaystyle f(1)=f(1\cdot1)=f(1)+f(1)이므로 f(1)=0\displaystyle f(1)=0이다.f(a)=f(b⋅ab)=f(b)+f(ab)\displaystyle f(a)=f\left(b\cdot\frac{a}{b}\right)=f(b)+f\left(\frac{a}{b}\right)이므로f(ab)=f(a)−f(b)\displaystyle f\left(\frac{a}{b}\right)=f(a)-f(b)이 성립한다.

(2) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x와 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(xn)=nf(x)\displaystyle f(x^{n})=nf(x)와 f(x1n)=1nf(x)\displaystyle f\left(x^{\frac{1}{n}}\right)=\frac{1}{n}f(x)이 성립함을 보이시오.풀이: 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x2)=f(x⋅x)=f(x)+f(x)=2f(x)\displaystyle f(x^{2})=f(x\cdot x)=f(x)+f(x)=2f(x)이므로 수학적 귀납법에 의하여 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여f(xn)=nf(x)\displaystyle f(x^{n})=nf(x)이 성립한다.임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 x1n=t\displaystyle x^{\frac{1}{n}}=t라 하면 tn=x\displaystyle t^{n}=x이므로 f(x)=f(tn)=nf(t)=nf(x1n)\displaystyle f(x)=f(t^{n})=nf(t)=nf\left(x^{\frac{1}{n}}\right)이다. 따라서f(x1n)=1nf(x)\displaystyle f\left(x^{\frac{1}{n}}\right)=\frac{1}{n}f(x)이 성립한다.

(3) 임의의 양의 실수 x\displaystyle x와 임의의 유리수 q\displaystyle q에 대하여 f(xq)=qf(x)\displaystyle f(x^{q})=qf(x)이 성립함을 보이시오.풀이: q=0\displaystyle q=0이면 x\displaystyle x가 양수이므로 xq=1\displaystyle x^{q}=1이어서 f(x0)=f(1)=0=0⋅f(x)\displaystyle f(x^{0})=f(1)=0=0\cdot f(x)이 성립한다.q\displaystyle q가 양의 유리수이면, 적당한 자연수 n,m\displaystyle n,m이 존재하여 q=nm\displaystyle q=\frac{n}{m}이고 xq=xnm=(x1m)n\displaystyle x^{q}=x^{\frac{n}{m}}=\left(x^{\frac{1}{m}}\right)^{n}이다. 그러므로 위 (2)번 문항에 의하여f(xq)=f((x1m)n)=nf(x1m)=nmf(x)=q⋅f(x)\displaystyle f(x^{q})=f\left(\left(x^{\frac{1}{m}}\right)^{n}\right)=nf\left(x^{\frac{1}{m}}\right)=\frac{n}{m}f(x)=q\cdot f(x)이 성립한다.q\displaystyle q가 음의 유리수이면, 적당한 자연수 n,m\displaystyle n,m이 존재하여 q=−nm\displaystyle q=-\frac{n}{m}이고 xq=x−nm=1xnm\displaystyle x^{q}=x^{-\frac{n}{m}}=\frac{1}{x^{\frac{n}{m}}}이다. 따라서 위 (1)번 문항과 양의 유리수의 경우에 의하여f(xq)=f(1xnm)=−f(xnm)=−nmf(x)=qf(x)\displaystyle f(x^{q})=f\left(\frac{1}{x^{\frac{n}{m}}}\right)=-f\left(x^{\frac{n}{m}}\right)=-\frac{n}{m}f(x)=qf(x)이 성립한다.

(4) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 연속이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 양의 실수 집합에서 연속임을 보이시오.풀이: 함수 f\displaystyle f가 x=1\displaystyle x=1에서 연속이므로 lim⁡x→1f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x\to1}f(x)=f(1)가 성립한다. 함수 f\displaystyle f가 양의 실수 집합에서 연속임을 보이기 위하여 임의의 1\displaystyle 1이 아닌 양의 실수 a\displaystyle a에 대하여 lim⁡t→af(t)=f(a)\displaystyle \lim_{t\to a}f(t)=f(a) 또는 lim⁡t→af(t)−f(a)=0\displaystyle \lim_{t\to a}f(t)-f(a)=0이 성립함을 보여야 한다.f(t)=f(taa)=f(ta)+f(a)\displaystyle f(t)=f\left(\frac{t}{a}a\right)=f\left(\frac{t}{a}\right)+f(a)이므로 f(1)=0\displaystyle f(1)=0에 의하여f(t)−f(a)=f(ta)=f(ta)−f(1)\displaystyle f(t)-f(a)=f\left(\frac{t}{a}\right)=f\left(\frac{t}{a}\right)-f(1)이고, a\displaystyle a가 양의 실수이어서 t→a\displaystyle t\to a이기 위한 필요충분조건이 ta→1\displaystyle \frac{t}{a}\to1이므로 ta=x\displaystyle \frac{t}{a}=x로 나타내면lim⁡t→af(t)−f(a)=lim⁡ta→1f(ta)−f(1)=lim⁡x→1f(x)−f(1)=0\displaystyle \lim_{t\to a}f(t)-f(a)=\lim_{\frac{t}{a}\to1}f\left(\frac{t}{a}\right)-f(1)=\lim_{x\to1}f(x)-f(1)=0이 성립한다. 따라서 함수 f\displaystyle f는 양의 실수 집합에서 연속이다.

(5) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하면 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)=f′(1)x\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(1)}{x}이 성립함을 보이시오.풀이: 함수 f\displaystyle f가 1\displaystyle 1에서 미분가능하므로 lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0f(1+h)h=f′(1)\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{f(1+h)}{h}=f^{\prime}(1)이 존재한다. 그러므로 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 x+h=x⋅(1+hx)\displaystyle x+h=x\cdot\left(1+\frac{h}{x}\right)이고 h\displaystyle h가 0\displaystyle 0으로 수렴하면 hx\displaystyle \frac{h}{x}도 0\displaystyle 0으로 수렴한다. 따라서lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0f(x)+f(1+hx)−f(x)h=lim⁡h→0f(1+hx)h=lim⁡h→0f(1+hx)hx⋅1x=f′(1)x\displaystyle \begin{aligned}\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}&=\lim_{h\to0}\frac{f(x)+f\left(1+\frac{h}{x}\right)-f(x)}{h}\\&=\lim_{h\to0}\frac{f\left(1+\frac{h}{x}\right)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{f\left(1+\frac{h}{x}\right)}{\frac{h}{x}}\cdot\frac{1}{x}=\frac{f^{\prime}(1)}{x}\end{aligned}이 존재하여 x\displaystyle x에서 미분가능하고 f′(x)=f′(1)x\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(1)}{x}이 성립한다.

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