수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 2번

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문제

[문제 2] 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킬 때, 아래 물음에 답하시오. [40점]

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 치역은 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)이다.

(나) 모든 실수 a\displaystyle a에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 [a,∞)\displaystyle [a,\infty)에서 최솟값을 갖는다.

(다) 실수 b,c\displaystyle b,c에 대하여 구간 [b+c,∞)\displaystyle [b+c,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 f(b)f(c)\displaystyle f(b)f(c)이다.

(1) 임의의 실수 x\displaystyle x와 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여, f(nx)={f(x)}n\displaystyle f(nx)=\{f(x)\}^{n}과 f(xn)=f(x)n\displaystyle f\left(\frac{x}{n}\right)=\sqrt[n]{f(x)}이 성립함을 보이시오.

(2) 임의의 실수 x\displaystyle x와 임의의 유리수 q\displaystyle q에 대하여, f(qx)={f(x)}q\displaystyle f(qx)=\{f(x)\}^{q}이 성립함을 보이시오.

(3) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 연속이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 실수 전체의 집합에서 연속임을 보이시오.

(4) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하면 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)=f′(0)f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(0)f(x)이 성립함을 보이시오.

해설강의 준비중

(1) 임의의 실수 x\displaystyle x와 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여, f(nx)={f(x)}n\displaystyle f(nx)=\{f(x)\}^{n}과 f(xn)=f(x)n\displaystyle f\left(\frac{x}{n}\right)=\sqrt[n]{f(x)}이 성립함을 보이시오.풀이: 수학적 귀납법에 의하여 임의의 실수 x\displaystyle x와 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 f(x)n\displaystyle f(x)^{n}의 값은 구간 [nx,∞)\displaystyle [nx,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값이다. 그리고 a≤b\displaystyle a\le b에 대하여 f(a)⋅f(a)=f(a)2\displaystyle f(a)\cdot f(a)=f(a)^{2}은 구간 [2a,∞)\displaystyle [2a,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값이고 f(b)2\displaystyle f(b)^{2}은 구간 [2b,∞)\displaystyle [2b,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값이다. 그런데 a≤b\displaystyle a\le b라고 가정하였으므로 [2b,∞)⊆[2a,∞)\displaystyle [2b,\infty)\subseteq[2a,\infty)가 성립하므로 구간 [2b,∞)\displaystyle [2b,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값은 구간 [2a,∞)\displaystyle [2a,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값보다 같거나 작다. 따라서 f(a)2≤f(b)2\displaystyle f(a)^{2}\le f(b)^{2}가 성립하고 함수 f\displaystyle f의 치역이 양의 실수 집합이라고 하였으므로 f(a)≤f(b)\displaystyle f(a)\le f(b)도 성립하여 함수 f\displaystyle f는 증가함수이다. 따라서 구간 [nx,∞)\displaystyle [nx,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값은 f(nx)\displaystyle f(nx)이고, f(nx)={f(x)}n\displaystyle f(nx)=\{f(x)\}^{n}이 성립한다.Correction. 구간 [2b,∞)\displaystyle [2b,\infty)에서의 최솟값을 비교한 문장의 ‘같거나 작다’는 ‘같거나 크다’의 오기다. 구간을 좁히면 최솟값은 작아질 수 없다. 이어지는 부등식 f(a)2≤f(b)2\displaystyle f(a)^2\le f(b)^2는 옳다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.xn=a\displaystyle \frac{x}{n}=a라 하면 x=na\displaystyle x=na이고 f(x)=f(na)=f(a)n\displaystyle f(x)=f(na)=f(a)^{n}이다. 함수 f\displaystyle f의 치역이 양의 실수 집합이므로f(xn)=f(a)=f(x)n\displaystyle f\left(\frac{x}{n}\right)=f(a)=\sqrt[n]{f(x)}이 성립한다.f(0)⋅f(0)=f(0)2\displaystyle f(0)\cdot f(0)=f(0)^{2}은 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값이고 f\displaystyle f는 증가함수이므로 f(0)2=f(0)\displaystyle f(0)^{2}=f(0)이 성립하며, 함수 f\displaystyle f의 치역이 양의 실수 집합이므로 f(0)=1\displaystyle f(0)=1이다. 따라서 f(x)⋅f(−x)\displaystyle f(x)\cdot f(-x)는 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값인 f(0)=1\displaystyle f(0)=1과 같다. 그러므로f(−x)=1f(x)\displaystyle f(-x)=\frac{1}{f(x)}이 성립한다.

(2) 임의의 실수 x\displaystyle x와 임의의 유리수 q\displaystyle q에 대하여, f(qx)={f(x)}q\displaystyle f(qx)=\{f(x)\}^{q}이 성립함을 보이시오.풀이: q=0\displaystyle q=0이면, f(qx)=f(0)=1\displaystyle f(qx)=f(0)=1이고 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로 {f(x)}q={f(x)}0=1\displaystyle \{f(x)\}^{q}=\{f(x)\}^{0}=1이다.q\displaystyle q가 양의 유리수이면, 적당한 자연수 n,m\displaystyle n,m이 존재하여 q=nm\displaystyle q=\frac{n}{m}이다. 그러므로 위 (1)번 문항에 의하여f(qx)=f(n⋅xm)={f(xm)}n={f(x)}nm={f(x)}q\displaystyle f(qx)=f\left(n\cdot\frac{x}{m}\right)=\left\{f\left(\frac{x}{m}\right)\right\}^{n}=\{f(x)\}^{\frac{n}{m}}=\{f(x)\}^{q}이 성립한다.q\displaystyle q가 음의 유리수이면, 적당한 자연수 n,m\displaystyle n,m이 존재하여 q=−nm\displaystyle q=-\frac{n}{m}이고 qx=−nmx\displaystyle qx=-\frac{n}{m}x다. 그러므로 위 (1)번 문항과 양의 유리수의 경우에 의하여f(qx)=f(−nmx)=1f(nmx)=1{f(x)}nm={f(x)}−nm={f(x)}q\displaystyle f(qx)=f\left(-\frac{n}{m}x\right)=\frac{1}{f\left(\frac{n}{m}x\right)}=\frac{1}{\{f(x)\}^{\frac{n}{m}}}=\{f(x)\}^{-\frac{n}{m}}=\{f(x)\}^{q}이 성립한다.

(3) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 연속이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 실수 전체의 집합에서 연속임을 보이시오.풀이: 함수 f\displaystyle f가 x=0\displaystyle x=0에서 연속이므로 lim⁡x→0f(x)=f(0)\displaystyle \lim_{x\to0}f(x)=f(0)가 성립한다. 함수 f\displaystyle f가 실수 전체의 집합에서 연속임을 보이기 위하여 임의의 0\displaystyle 0이 아닌 실수 a\displaystyle a에 대하여 lim⁡t→af(t)=f(a)\displaystyle \lim_{t\to a}f(t)=f(a)이 성립함을 보여야 한다.f(t)=f(t−a+a)\displaystyle f(t)=f(t-a+a)로 나타낼 수 있으며 f(t−a)⋅f(a)\displaystyle f(t-a)\cdot f(a)는 구간 [t,∞)\displaystyle [t,\infty)에서 함수 f\displaystyle f의 최솟값이므로 f(t−a)⋅f(a)=f(t)\displaystyle f(t-a)\cdot f(a)=f(t)이어서 f(t)=f(t−a+a)=f(t−a)⋅f(a)\displaystyle f(t)=f(t-a+a)=f(t-a)\cdot f(a)이 성립한다. 따라서 f(0)=1\displaystyle f(0)=1에 의하여f(t)−f(a)=f(t−a)⋅f(a)−f(a)=f(a){f(t−a)−1}=f(a){f(t−a)−f(0)}\displaystyle f(t)-f(a)=f(t-a)\cdot f(a)-f(a)=f(a)\{f(t-a)-1\}=f(a)\{f(t-a)-f(0)\}이고, t→a\displaystyle t\to a이기 위한 필요충분조건이 t−a→0\displaystyle t-a\to0이므로 t−a=x\displaystyle t-a=x로 나타내면lim⁡t→af(t)−f(a)=lim⁡t−a→0f(a){f(t−a)−f(0)}=lim⁡x→0f(a){f(x)−f(0)}=f(a)⋅lim⁡x→0{f(x)−f(0)}=f(a)⋅0=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to a}f(t)-f(a)&=\lim_{t-a\to0}f(a)\{f(t-a)-f(0)\}\\&=\lim_{x\to0}f(a)\{f(x)-f(0)\}\\&=f(a)\cdot\lim_{x\to0}\{f(x)-f(0)\}\\&=f(a)\cdot0\\&=0\end{aligned}이 성립한다. 그러므로 함수 f\displaystyle f는 실수 전체의 집합에서 연속이다.

(4) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하면 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)=f′(0)f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(0)f(x)이 성립함을 보이시오.풀이: 함수 f\displaystyle f가 0\displaystyle 0에서 미분가능하므로lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0f(h)−1h=f′(0)\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{f(h)-1}{h}=f^{\prime}(0)이 존재한다. 그러므로 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0f(x)f(h)−f(x)h=f(x)lim⁡h→0f(h)−1h=f(x)f′(0)\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{f(x)f(h)-f(x)}{h}=f(x)\lim_{h\to0}\frac{f(h)-1}{h}=f(x)f^{\prime}(0)이 존재하여 미분가능하고 f′(x)=f(x)f′(0)\displaystyle f^{\prime}(x)=f(x)f^{\prime}(0)이 성립한다.

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