수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 다음과 같은 다항식이 주어진다.f0(x)=1\displaystyle f_0(x)=1f1(x)=1+x\displaystyle f_1(x)=1+xf2(x)=1+x+x22!\displaystyle f_2(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}f3(x)=1+x+x22!+x33!\displaystyle f_3(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}f4(x)=1+x+x22!+x33!+x44!\displaystyle f_4(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}f5(x)=1+x+x22!+x33!+x44!+x55!\displaystyle f_5(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+\frac{x^5}{5!}f6(x)=1+x+x22!+x33!+x44!+x55!+x66!\displaystyle f_6(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+\frac{x^5}{5!}+\frac{x^6}{6!}(단, n!\displaystyle n!은 1\displaystyle 1에서 n\displaystyle n까지의 모든 자연수의 곱이다.)

<나> 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)의 부호가 서로 다르면, 즉f(a)⋅f(b)<0\displaystyle f(a)\cdot f(b)<0이면 f(c)=0\displaystyle f(c)=0인 c\displaystyle c가 a<c<b\displaystyle a<c<b에 적어도 하나 존재한다.

1-1. 다항식 f5(x)\displaystyle f_5(x)의 역함수가 존재할 때, g5(x)=f5−1(x)\displaystyle g_5(x)=f_5^{-1}(x)라 하자.즉, g5(f5(x))=x=f5(g5(x))\displaystyle g_5(f_5(x))=x=f_5(g_5(x))이다. g5′(1)\displaystyle g_5^{\prime}(1)과 g5′′(1)\displaystyle g_5^{\prime\prime}(1)을 각각 구하여라. [10점]

1-2. 다항식 f3(x)\displaystyle f_3(x)의 역함수가 존재할 때, g3(x)=f3−1(x)\displaystyle g_3(x)=f_3^{-1}(x)라 하자.즉, g3(f3(x))=x=f3(g3(x))\displaystyle g_3(f_3(x))=x=f_3(g_3(x))이다. 정적분 ∫183g3(x)dx\displaystyle \int_1^{\frac83}g_3(x)dx의 값을 구하여라. [15점]

1-3. f5(x)\displaystyle f_5(x)와 f6(x)\displaystyle f_6(x)의 실근의 개수를 각각 구하여라. [15점]

해설강의 준비중

1-1.g5(f5(x))=x⇒g5′(f5(x))f5′(x)=1⇒g5′(f5(x))=1f5′(x)=1f4(x)\displaystyle g_5(f_5(x))=x\Rightarrow g_5^{\prime}(f_5(x))f_5^{\prime}(x)=1\Rightarrow g_5^{\prime}(f_5(x))=\frac1{f_5^{\prime}(x)}=\frac1{f_4(x)}따라서 g5′(f5(0))=g5′(1)=1f5′(0)=1\displaystyle g_5^{\prime}(f_5(0))=g_5^{\prime}(1)=\frac1{f_5^{\prime}(0)}=1

g5′(f5(x))=1f5′(x)⇒g5′′(f5(x))f5′(x)=−f5′′(x)[f5′(x)]2=−f3(x)[f4(x)]2\displaystyle g_5^{\prime}(f_5(x))=\frac1{f_5^{\prime}(x)}\Rightarrow g_5^{\prime\prime}(f_5(x))f_5^{\prime}(x)=-\frac{f_5^{\prime\prime}(x)}{[f_5^{\prime}(x)]^2}=-\frac{f_3(x)}{[f_4(x)]^2} 이므로gn′′(fn(x))=−1f5′(x)⋅f3(x)[f4(x)]2=−f3(x)f4(x)[f4(x)]2\displaystyle g_n^{\prime\prime}(f_n(x))=-\frac1{f_5^{\prime}(x)}\cdot\frac{f_3(x)}{[f_4(x)]^2}=-\frac{f_3(x)}{f_4(x)[f_4(x)]^2}Correction. 이 풀이의 gn\displaystyle g_n, fn\displaystyle f_n은 각각 g5\displaystyle g_5, f5\displaystyle f_5의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.g5′′(fn(0))=g5′′(1)=−1\displaystyle g_5^{\prime\prime}(f_n(0))=g_5^{\prime\prime}(1)=-1

1-2.f3(0)=1+0+022!+033!=1f3(1)=1+1+12!+13!=83\displaystyle \begin{aligned}f_3(0)&=1+0+\frac{0^2}{2!}+\frac{0^3}{3!}=1\\f_3(1)&=1+1+\frac1{2!}+\frac1{3!}=\frac83\end{aligned}서로 역함수 관계에 있는 두 함수의 그래프는 직선 y=x\displaystyle y=x에 대칭이므로,정적분 ∫183g3(x)dx\displaystyle \int_1^{\frac83}g_3(x)dx의 값을 구하는 것은 그림과 같이 구할 수 있다.

역함수 그래프의 대칭과 두 정적분의 넓이

즉, ∫183g3(x)dx=83−∫01f3(x)dx\displaystyle \int_1^{\frac83}g_3(x)dx=\frac83-\int_0^1f_3(x)dx이다.∫01f(x)dx=∫01(1+x+x22+x36)dx=4124\displaystyle \int_0^1f(x)dx=\int_0^1\left(1+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{6}\right)dx=\frac{41}{24} 이므로,∫183g3(x)dx=83−∫01f3(x)dx=83−4124=2324\displaystyle \int_1^{\frac83}g_3(x)dx=\frac83-\int_0^1f_3(x)dx=\frac83-\frac{41}{24}=\frac{23}{24}

1-3.fn(x)=fn−1(x)+xnn!\displaystyle f_n(x)=f_{n-1}(x)+\frac{x^n}{n!}, fn′(x)=fn−1(x)\displaystyle f_n^{\prime}(x)=f_{n-1}(x), f1(x)=1+x\displaystyle f_1(x)=1+x는 실근 1개를 가진다.f2(x)=1+x+x22!⇒f2′(x)=1+x=f1(x)\displaystyle f_2(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}\Rightarrow f_2^{\prime}(x)=1+x=f_1(x) 이므로 f2(x)\displaystyle f_2(x)는 x=−1\displaystyle x=-1에서 최솟값 f2(−1)=12>0\displaystyle f_2(-1)=\frac12>0을 가진다.따라서 f2(x)≥f2(−1)=12>0\displaystyle f_2(x)\ge f_2(-1)=\frac12>0 이므로 f2(x)\displaystyle f_2(x)는 실근을 갖지 않는다.

f3(x)=1+x+x22!+x33!⇒f3′(x)=f2(x)>0\displaystyle f_3(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}\Rightarrow f_3^{\prime}(x)=f_2(x)>0 이므로 f3(x)\displaystyle f_3(x)는 증가한다.f3(0)=1>0\displaystyle f_3(0)=1>0이고 f3(−3)=f2(−3)+(−3)33!=52−3⋅3⋅36=52−92=−2<0\displaystyle f_3(-3)=f_2(-3)+\frac{(-3)^3}{3!}=\frac52-\frac{3\cdot3\cdot3}{6}=\frac52-\frac92=-2<0 이므로 사잇값 정리에 의하여 f3(x)\displaystyle f_3(x)는 단 하나의 실근을 가진다.f4(x)=1+x+x22!+x33!+x44!⇒f4′(x)=f3(x)\displaystyle f_4(x)=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}\Rightarrow f_4^{\prime}(x)=f_3(x) f3(x)\displaystyle f_3(x)는 단 하나의 실근을 가진다.f3(a)=0\displaystyle f_3(a)=0이라하자. 그러면, f4(x)\displaystyle f_4(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 최솟값 f4(a)\displaystyle f_4(a)를 가진다.f4(x)≥f4(a)=f3(a)+a44!=a44!>0\displaystyle f_4(x)\ge f_4(a)=f_3(a)+\frac{a^4}{4!}=\frac{a^4}{4!}>0따라서 f4(x)\displaystyle f_4(x) 실근을 갖지 않는다.

f5(x)=f4(x)+x55!\displaystyle f_5(x)=f_4(x)+\frac{x^5}{5!}이고 f5′(x)=f4(x)>0\displaystyle f_5^{\prime}(x)=f_4(x)>0 이므로 f5(x)\displaystyle f_5(x)는 증가한다.f5(0)=1>0\displaystyle f_5(0)=1>0이고 f5(−5)=f4(−5)−555!<0\displaystyle f_5(-5)=f_4(-5)-\frac{5^5}{5!}<0 이므로 사잇값 정리에 의하여 f5(x)\displaystyle f_5(x)는 단 하나의 실근을 가진다.f6′(x)=f5(x)\displaystyle f_6^{\prime}(x)=f_5(x)는 단 하나의 실근 a\displaystyle a를 갖는다고 하면f6(x)≥f6(a)=f5(a)+a66!=a66!>0\displaystyle f_6(x)\ge f_6(a)=f_5(a)+\frac{a^6}{6!}=\frac{a^6}{6!}>0이므로 실근을 갖지 않는다.

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