수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 함수 f(x)=ln⁡(x2+x+1)\displaystyle f(x)=\ln(x^2+x+1)은 모든 실수에 대하여 미분가능하다.

<나> 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 이차항의 계수가 1\displaystyle 1인 이차함수이다.

2-1. 제시문 <가>의 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 ∑n=1∞(1f′(−n)+1f′(n)−12)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac1{f^{\prime}(-n)}+\frac1{f^{\prime}(n)}-\frac12\right)의 값을 구하여라. [15점]

2-2. 함수 h(x)={f(x)+g(x)}2\displaystyle h(x)=\{f(x)+g(x)\}^2이 x=1\displaystyle x=1에서 최솟값이 1\displaystyle 1일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 구하여라. [15점]

해설강의 준비중

2-1.f′(x)=2x+1x2+x+1⇒1f′(x)=x2+x+12x+1=12(x+12)2+34x+12=12(x+12)+3412x+1\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)=\frac{2x+1}{x^2+x+1}\Rightarrow\frac1{f^{\prime}(x)}&=\frac{x^2+x+1}{2x+1}=\frac12\frac{\left(x+\frac12\right)^2+\frac34}{x+\frac12}\\&=\frac12\left(x+\frac12\right)+\frac34\frac1{2x+1}\end{aligned}즉, 1f′(−n)+1f′(n)−12=12(−n+12)+341−2n+1+12(n+12)+3412n+1−12=34(12n+1−12n−1)\displaystyle \begin{aligned}\frac1{f^{\prime}(-n)}+\frac1{f^{\prime}(n)}-\frac12&=\frac12\left(-n+\frac12\right)+\frac34\frac1{-2n+1}+\frac12\left(n+\frac12\right)+\frac34\frac1{2n+1}-\frac12\\&=\frac34\left(\frac1{2n+1}-\frac1{2n-1}\right)\end{aligned}따라서∑n=1∞(1f′(−n)+1f′(n)−12)=34∑n=1∞(12n+1−12n−1)=34{(13−1)+(15−13)+(17−15)+⋯ }=−34\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac1{f^{\prime}(-n)}+\frac1{f^{\prime}(n)}-\frac12\right)&=\frac34\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac1{2n+1}-\frac1{2n-1}\right)\\&=\frac34\left\{\left(\frac13-1\right)+\left(\frac15-\frac13\right)+\left(\frac17-\frac15\right)+\cdots\right\}\\&=-\frac34\end{aligned}

2-2.우선 g(x)=(x−1)2+a(x−1)+b\displaystyle g(x)=(x-1)^2+a(x-1)+b라 놓는다.f′(x)=2x+1x2+x+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{2x+1}{x^2+x+1}, g′(x)=2(x−1)+a\displaystyle g^{\prime}(x)=2(x-1)+a에서f(1)=ln⁡3\displaystyle f(1)=\ln3, f′(1)=1\displaystyle f^{\prime}(1)=1, g(1)=b\displaystyle g(1)=b, g′(1)=a\displaystyle g^{\prime}(1)=a를 얻는다.h(x)=(f(x)+g(x))2\displaystyle h(x)=(f(x)+g(x))^2의 최솟값이 0\displaystyle 0이 아니므로 f(x)+g(x)\displaystyle f(x)+g(x)는 항상 양의 값을 가지던지 음의 값을 갖는다.그런데 x→∞⇒f(x)+g(x)→∞\displaystyle x\to\infty\Rightarrow f(x)+g(x)\to\infty이므로 f(x)+g(x)\displaystyle f(x)+g(x)는 항상 양의 값을 갖는다.∴h(1)=1⇔(f(1)+g(1))2=1\displaystyle \therefore h(1)=1\Leftrightarrow(f(1)+g(1))^2=1이므로 f(1)+g(1)=1\displaystyle f(1)+g(1)=1이다.∴b=g(1)=1−ln⁡3\displaystyle \therefore b=g(1)=1-\ln3

h(x)\displaystyle h(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 최솟값을 가지므로h′(1)=2(f(1)+g(1))(f′(1)+g′(1))=0\displaystyle h^{\prime}(1)=2(f(1)+g(1))(f^{\prime}(1)+g^{\prime}(1))=0이므로 f′(1)+g′(1)=0\displaystyle f^{\prime}(1)+g^{\prime}(1)=0∴a=g′(1)=−1\displaystyle \therefore a=g^{\prime}(1)=-1결국 g(x)=(x−1)2−(x−1)+(1−ln⁡3)=x2−3x+3−ln⁡3\displaystyle g(x)=(x-1)^2-(x-1)+(1-\ln3)=x^2-3x+3-\ln3

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