수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 2번

문제

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+5점 · limx0+xx=1\displaystyle \lim_{x\to0+}x^{x}=1을 활용하여 limx0+g(x)=limx0+lnf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to0+}g(x)=\lim_{x\to0+}\ln f(x)=0을 구함.

2-(1) limx0+f(x)\displaystyle \lim_{x\to0+}f(x)limxf(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)의 값을 각각 구하시오. (단, limx0+xx=1\displaystyle \lim_{x\to0+}x^{x}=1이다.)[풀이] 양의 실수 x\displaystyle x에 대해, xx+6>0\displaystyle \frac{x}{x+6}>0이므로 f(x)=(xx+6)x>0\displaystyle f(x)=\left(\frac{x}{x+6}\right)^{x}>0이므로 함수g(x)=lnf(x)=xlnxxln(x+6)\displaystyle g(x)=\ln f(x)=x\ln x-x\ln(x+6)이 잘 정의된다. limx0+xx=1\displaystyle \lim_{x\to0+}x^{x}=1이고 xlnx=ln(xx)\displaystyle x\ln x=\ln(x^{x})이므로 limx0+xlnx=ln1=0\displaystyle \lim_{x\to0+}x\ln x=\ln1=0이다. 또한limx0+xln(x+6)=0ln6=0\displaystyle \lim_{x\to0+}x\ln(x+6)=0\cdot\ln6=0이다. 따라서limx0+g(x)=limx0+xlnxlimx0+xln(x+6)=00=0\displaystyle \lim_{x\to0+}g(x)=\lim_{x\to0+}x\ln x-\lim_{x\to0+}x\ln(x+6)=0-0=0이다. f(x)=eg(x)\displaystyle f(x)=e^{g(x)}이므로 limx0+f(x)=e0=1\displaystyle \lim_{x\to0+}f(x)=e^{0}=1이다.

+5점 · limxf(x)=e6\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=e^{-6}임을 구함.

그리고limxf(x)=limx(xx+6)x=limx((11+6x)x6)6=1e6=e6\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\lim_{x\to\infty}\left(\frac{x}{x+6}\right)^{x}=\lim_{x\to\infty}\left(\left(\frac{1}{1+\frac{6}{x}}\right)^{\frac{x}{6}}\right)^{6}=\frac{1}{e^{6}}=e^{-6}이다.

+5점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수 또는 lnf(x)\displaystyle \ln f(x)의 도함수를 정확히 구함.

2-(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소함을 보이시오.[풀이] 함수 g(x)=lnf(x)=xlnxxln(x+6)\displaystyle g(x)=\ln f(x)=x\ln x-x\ln(x+6)이 양의 실수 전체의 집합에서 미분가능하므로g(x)=lnxln(x+6)+1xx+6=ln(xx+6)+6x+6=ln(16x+6)+6x+6\displaystyle g^{\prime}(x)=\ln x-\ln(x+6)+1-\frac{x}{x+6}=\ln\left(\frac{x}{x+6}\right)+\frac{6}{x+6}=\ln\left(1-\frac{6}{x+6}\right)+\frac{6}{x+6}이다.

+5점 · 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0임을 보여서 f(x)\displaystyle f(x)가 감소함수임을 논함. 또는 lnf(x)\displaystyle \ln f(x)의 도함수 f(x)/f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)/f(x)<0임을 보이고 f(x)>0\displaystyle f(x)>0임을 정확히 언급하여 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0임을 결론적으로 보여서 f(x)\displaystyle f(x)가 감소함수임을 논함.

함수 h(y)=ln(1y)+y\displaystyle h(y)=\ln(1-y)+y라 하면,h(y)=11y+1=yy1\displaystyle h^{\prime}(y)=-\frac{1}{1-y}+1=\frac{y}{y-1}이므로 0<y<1\displaystyle 0<y<1에서 h(y)<0\displaystyle h^{\prime}(y)<0이다. 따라서 함수 h(y)\displaystyle h(y)는 구간 [0,1)\displaystyle [0,1)에서 감소하고 0<y<1\displaystyle 0<y<1에서 h(y)<h(0)=ln1+0=0\displaystyle h(y)<h(0)=\ln1+0=0이다. g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)6x+6=y\displaystyle \frac{6}{x+6}=y로 치환하면 모든 양의 실수 x\displaystyle x에서 0<6x+6<1\displaystyle 0<\frac{6}{x+6}<1이므로 0<y<1\displaystyle 0<y<1이고 g(x)=h(y)<0\displaystyle g^{\prime}(x)=h(y)<0이다. g(x)=lnf(x)\displaystyle g(x)=\ln f(x)이므로 g(x)=f(x)f(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}이다. 양의 실수 x\displaystyle x에 대해, f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로f(x)=f(x)g(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)=f(x)g^{\prime}(x)<0이다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소한다.

+4점 · f(a)<115\displaystyle f(a)<\frac{1}{15}, f(b)>115\displaystyle f(b)>\frac{1}{15}가 되는 양수 a\displaystyle ab\displaystyle b를 구체적으로 언급함.

2-(3) f(c)=115\displaystyle f(c)=\frac{1}{15}을 만족시키는 양의 실수 c\displaystyle c가 오직 하나 존재함을 보이시오.[풀이] f(1)=17\displaystyle f(1)=\frac{1}{7}, f(3)=(13)3=127\displaystyle f(3)=\left(\frac{1}{3}\right)^{3}=\frac{1}{27}이다. 그러므로f(1)=17>115>127=f(3)\displaystyle f(1)=\frac{1}{7}>\frac{1}{15}>\frac{1}{27}=f(3)을 만족한다.

+3점 · 사잇값의 정리에 의해, f(c)=115\displaystyle f(c)=\frac{1}{15}인 양수 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 있음을 보임.

Correction. 앞줄의 조건에서는 b<a\displaystyle b<a이므로, 이 줄의 (a,b)\displaystyle (a,b)(b,a)\displaystyle (b,a)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이므로 사잇값의 정리에 의해, f(c)=115\displaystyle f(c)=\frac{1}{15}c\displaystyle c가 열린구간 (1,3)\displaystyle (1,3)에 적어도 하나 존재한다.

+3점 · f(x)\displaystyle f(x)가 감소함수임을 이용하여 f(c)=115\displaystyle f(c)=\frac{1}{15}인 양수 c\displaystyle c가 유일함을 보임.

문항(2)에 의해, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소하므로 f(c)=115\displaystyle f(c)=\frac{1}{15}인 양의 실수 c\displaystyle c가 오직 하나 존재한다.

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