수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

[문항1] 아래 물음에 답하시오. [35점]

(1) 1<x<y\displaystyle 1<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 xln⁡x<yln⁡y\displaystyle x\ln x<y\ln y가 성립함을 보이시오.

(2) 방정식 xln⁡x−π=0\displaystyle x\ln x-\pi=0이 열린구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 오직 하나의 실근을 가짐을 보이시오.

(3) 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 ln⁡x≤yln⁡y−xln⁡xy−x\displaystyle \ln x\le\frac{y\ln y-x\ln x}{y-x}가 성립함을 보이시오.

(4) 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 x+y2ln⁡x+y2≤xln⁡x+yln⁡y2\displaystyle \frac{x+y}{2}\ln\frac{x+y}{2}\le\frac{x\ln x+y\ln y}{2}가 성립함을 보이시오.

해설강의 준비중

(1) 1<x<y\displaystyle 1<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 xln⁡x<yln⁡y\displaystyle x\ln x<y\ln y가 성립함을 보이시오.풀이: x>0\displaystyle x>0인 실수 x\displaystyle x에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 f(x)=xln⁡x\displaystyle f(x)=x\ln x라 하면, 도함수는 f′(x)=1+ln⁡x\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x이다. 로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x가 구간 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 ln⁡x>0\displaystyle \ln x>0을 만족하므로 f′(x)=1+ln⁡x>1>0\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x>1>0이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 증가한다. 그러므로 1<x<y\displaystyle 1<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 f(y)>f(x)\displaystyle f(y)>f(x)가 성립한다. 즉 xln⁡x<yln⁡y\displaystyle x\ln x<y\ln y가 성립한다.

(2) 방정식 xln⁡x−π=0\displaystyle x\ln x-\pi=0이 열린구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 오직 하나의 실근을 가짐을 보이시오.풀이: 함수 f(x)=xln⁡x\displaystyle f(x)=x\ln x에 대하여 x>0\displaystyle x>0인 실수 x\displaystyle x에서f′(x)=1+ln⁡x=0\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x=0을 만족시키는 경우는 x=1e\displaystyle x=\frac{1}{e}뿐이다. 로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가하므로 구간 (0,1e)\displaystyle \left(0,\frac{1}{e}\right)에서 f′(x)=1+ln⁡x<0\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x<0이다. 따라서 함수 f(x)=xln⁡x\displaystyle f(x)=x\ln x는 구간 (0,1e)\displaystyle \left(0,\frac{1}{e}\right)에서 감소한다. 한편 구간 (1e,∞)\displaystyle \left(\frac{1}{e},\infty\right)에서는 f′(x)=1+ln⁡x>0\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x>0이므로 함수 f(x)=xln⁡x\displaystyle f(x)=x\ln x는 구간 (0,1e)\displaystyle \left(0,\frac{1}{e}\right)에서 증가한다.Correction. 대학 예시답안의 증가 구간 (0,1e)\displaystyle \left(0,\frac{1}{e}\right)은 (1e,∞)\displaystyle \left(\frac{1}{e},\infty\right)여야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(i) 0<x<1e\displaystyle 0<x<\frac{1}{e}인 실수 x\displaystyle x에 대하여 ln⁡x<ln⁡1e=−1\displaystyle \ln x<\ln\frac{1}{e}=-1이고 0<x\displaystyle 0<x이므로f(x)=xln⁡x<−x<0\displaystyle f(x)=x\ln x<-x<0이다. 따라서 구간 (0,1e)\displaystyle \left(0,\frac{1}{e}\right)에서는 방정식 xln⁡x=π\displaystyle x\ln x=\pi의 근이 없다.

(ii) 1e<x\displaystyle \frac{1}{e}<x인 실수 x\displaystyle x에 대하여, f(1e)=1eln⁡1e=−1e<π\displaystyle f\left(\frac{1}{e}\right)=\frac{1}{e}\ln\frac{1}{e}=-\frac{1}{e}<\pi이고 f(e2)=e2ln⁡e2=2e2>π\displaystyle f(e^{2})=e^{2}\ln e^{2}=2e^{2}>\pi이므로 사잇값의 정리에 의해서f(1e)<f(z)=zln⁡z=π<f(e2)\displaystyle f\left(\frac{1}{e}\right)<f(z)=z\ln z=\pi<f(e^{2})인 z\displaystyle z가 열린구간 (1e,e2)\displaystyle \left(\frac{1}{e},e^{2}\right)에 존재한다. 그리고 함수 f(x)=xln⁡x\displaystyle f(x)=x\ln x가 구간 (1e,∞)\displaystyle \left(\frac{1}{e},\infty\right)에서 증가하므로 이 구간에서 f(x)=xln⁡x=π\displaystyle f(x)=x\ln x=\pi를 만족시키는 x\displaystyle x는 유일하다.결론적으로 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 방정식 xln⁡x−π=0\displaystyle x\ln x-\pi=0을 만족시키는 x\displaystyle x는 유일하다.

(3) 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 ln⁡x≤yln⁡y−xln⁡xy−x\displaystyle \ln x\le\frac{y\ln y-x\ln x}{y-x}가 성립함을 보이시오.풀이: 평균값 정리에 의해서 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여f′(a)=f(y)−f(x)y−x=yln⁡y−xln⁡xy−x\displaystyle f^{\prime}(a)=\frac{f(y)-f(x)}{y-x}=\frac{y\ln y-x\ln x}{y-x}인 a\displaystyle a가 구간 (x,y)\displaystyle (x,y)에 존재한다. f′(a)=1+ln⁡a\displaystyle f^{\prime}(a)=1+\ln a이고 로그함수 ln⁡x\displaystyle \ln x가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가하므로ln⁡x<ln⁡a<1+ln⁡a=yln⁡y−xln⁡xy−x\displaystyle \ln x<\ln a<1+\ln a=\frac{y\ln y-x\ln x}{y-x}이다.

(4) 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 부등식 x+y2ln⁡x+y2≤xln⁡x+yln⁡y2\displaystyle \frac{x+y}{2}\ln\frac{x+y}{2}\le\frac{x\ln x+y\ln y}{2}가 성립함을 보이시오.풀이: x>0\displaystyle x>0인 실수 x\displaystyle x에 대하여 ln⁡x\displaystyle \ln x가 증가함수이므로 f′(x)=1+ln⁡x\displaystyle f^{\prime}(x)=1+\ln x도 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가한다. 즉 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 f′(x)<f′(y)\displaystyle f^{\prime}(x)<f^{\prime}(y)이다.

한편 0<x<y\displaystyle 0<x<y인 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 z=x+y2\displaystyle z=\frac{x+y}{2}라 하면, x<z<y\displaystyle x<z<y이다. 평균값 정리에 의해서f′(v)=f(z)−f(x)z−x,f′(w)=f(y)−f(z)y−z\displaystyle f^{\prime}(v)=\frac{f(z)-f(x)}{z-x},\qquad f^{\prime}(w)=\frac{f(y)-f(z)}{y-z}인 v\displaystyle v와 w\displaystyle w가 각각 구간 (x,z)\displaystyle (x,z)와 (z,y)\displaystyle (z,y)에 존재한다. 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 증가하고 v<z<w\displaystyle v<z<w이므로 f′(v)<f′(w)\displaystyle f^{\prime}(v)<f^{\prime}(w)이다. 따라서f(z)−f(x)z−x=f′(v)<f′(w)=f(y)−f(z)y−z\displaystyle \frac{f(z)-f(x)}{z-x}=f^{\prime}(v)<f^{\prime}(w)=\frac{f(y)-f(z)}{y-z}이다. z−x=y−x2=y−z>0\displaystyle z-x=\frac{y-x}{2}=y-z>0이므로 f(z)−f(x)<f(y)−f(z)\displaystyle f(z)-f(x)<f(y)-f(z)이다. 즉x+y2ln⁡x+y2=zln⁡z=f(z)<f(x)+f(y)2=xln⁡x+yln⁡y2\displaystyle \frac{x+y}{2}\ln\frac{x+y}{2}=z\ln z=f(z)<\frac{f(x)+f(y)}{2}=\frac{x\ln x+y\ln y}{2}이다.

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