어떤 구간에서 정의된 함수 f(x)가 구간의 끝점이 아닌 모든 실수 x에 대해 부등식 f′′(x)<0을 만족한다.
(1)직선 y=cx+d가 곡선 y=f(x)의 끝점이 아닌 점에서의 접선이면, f(x)의 정의역에 속하는 모든 실수 x에 대해 부등식f(x)≤cx+d가 성립함을 설명하시오.Caution. 구간의 끝점에서도 부등식이 성립하려면 끝점에서의 조건이 더 필요하다. 예를 들어 정의역 전체에서 연속이라고 가정하면 된다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
(2)위 (1)의 부등식을 사용하여 임의의 양의 정수 n과 f(x)의 정의역에 속하는 임의의 실수 a1,a2,…,an에 대해 부등식f(na1+a2+⋯+an)≥n1(f(a1)+f(a2)+⋯+f(an))이 성립함을 설명하시오. 등식이 성립할 조건은 무엇인가?
(3)위 (2)의 부등식을 사용하여 임의의 양의 정수 n과 임의의 양수 a1,a2,…,an에 대해 부등식na1+a2+⋯+an≥na1a2⋯an이 성립함을 설명하시오. 등식이 성립할 조건은 무엇인가?
해설강의 준비중
한양대 서울캠퍼스 2012학년도 모의 1차 1회 의예과 1번 · mathesis.kr/archive/hanyang_seoul/2012mo_1_1/uiye_1
(1) 접선의 접점의 x좌표값을 m이라 하면 c=f′(m)이고 d=f(m)−f′(m)m.함수 g(x)를 g(x)=f(x)−cx−d 라 두자. 그러면 g′′(x)=f′′(x)<0. 따라서 g′(x)는 감소함수.또한 g′(m)=f′(m)−c=0 이므로 g(x)의 증감표는 다음과 같다.
x
⋯
m
⋯
g′(x)
+
0
−
g(x)
↗
0
↘
그러므로 g(x)≤0 즉 f(x)≤cx+d.
(2) m=na1+a2+⋯+an이라 두면 (m,f(m))에서의 접선의 방정식 y=cx+d 은c=f′(m),d=f(m)−f′(m)m으로 주어진다. 구간에 속하는 모든 x에 대해 f(x)≤cx+d 이므로⎩⎨⎧f(a1)≤ca1+df(a2)≤ca2+d⋯f(an)≤can+d
그런데, (ca1+d)+(ca2+d)+⋯+(can+d)=c(a1+a2+⋯+an)+nd=nf(m).따라서 n1(f(a1)+f(a2)+⋯+f(an))≤f(na1+a2+⋯+an).
이 부등식에서 등식이 성립하기 위해서는 f(ai)=cai+d 가 모든 i=1,2,…,n에 대해 성립해야 하는데,위 (1)의 논의를 다시 살펴보면, 등식이 성립하는 경우는 x=m 인 경우 뿐이므로, 모든 i 에 대해 ai=m인 경우 뿐이다.이것은 a1=a2=⋯=an과 동치. 즉 등식이 성립하는 경우는 a1=a2=⋯=an일 때 뿐이다.
(3) f(x)=lnx 라 두면 f(x)는 구간 (0,∞)에서 정의되고 f′(x)=x1, f′′(x)=−x21<0 을 만족한다.따라서 위 (2)에 의해lnna1+a2+⋯+an≥n1(lna1+lna2+⋯+lnan)
그런데 n1(lna1+lna2+⋯+lnan)=ln(a1a2⋯an)n1이고 함수 ln 은 증가함수이므로na1+a2+⋯+an≥na1a2⋯an.또한 위 (2)에 의해 등식이 성립하는 경우는 a1=a2=⋯=an일 때 뿐이다.