수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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(1). 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하면,

f(a)=limxaf(x)f(a)xa\displaystyle f^{\prime}(a)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}가 존재하므로

limxa(f(x)f(a))=limxa(f(x)f(a)xa(xa))=limxaf(x)f(a)xalimxa(xa)=f(a)0=0\displaystyle \lim_{x\to a}(f(x)-f(a))=\lim_{x\to a}\left(\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\cdot(x-a)\right)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\cdot\lim_{x\to a}(x-a)=f^{\prime}(a)\cdot0=0이고,

limxaf(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)이다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)x=a\displaystyle x=a에서 연속이다.

(2). 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=a\displaystyle x=a에서 연속이면, limxaf(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)이고,

an=a+1n\displaystyle a_n=a+\frac1n으로 두면 limnf(an)\displaystyle \lim_{n\to\infty}f(a_n)이 존재하고 그 극한값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.

an=a1n\displaystyle a_n=a-\frac1n으로 두면 limnf(an)\displaystyle \lim_{n\to\infty}f(a_n)이 존재하고 그 극한값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.

따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=a\displaystyle x=a에서 S\displaystyle S-연속이다.

즉, 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=a\displaystyle x=a에서 연속성은 S\displaystyle S-연속성을 의미한다.

(3). a0\displaystyle a\ne0인 경우 :

x=a\displaystyle x=a에서 1x\displaystyle \frac1x는 미분가능하고 제시문 (다)에 의하여 sin1x\displaystyle \sin\frac1x도 미분가능하다.

미분의 성질에 의하여 x2sin1x\displaystyle x^2\sin\frac1xx=a\displaystyle x=a에서 미분가능하다. 미분가능성과 연속성의 관계에 의하여

g(x)=x2sin1x\displaystyle g(x)=x^2\sin\frac1xx=a\displaystyle x=a에서 연속이고 (2)에 의하여 S\displaystyle S-연속이다.

a=0\displaystyle a=0인 경우 :

x0\displaystyle x\ne0이면 0x2sin1xx2\displaystyle 0\le|x^2\sin\frac1x|\le x^2이고, limx0x2=0\displaystyle \lim_{x\to0}x^2=0이므로 limx0x2sin1x=0=g(0)\displaystyle \lim_{x\to0}x^2\sin\frac1x=0=g(0)이다.

g(x)=x2sin1x\displaystyle g(x)=x^2\sin\frac1xx=0\displaystyle x=0에서 연속이고 (2)에 의하여 S\displaystyle S-연속이다.

(4). - a>0\displaystyle a>0인 경우,

a\displaystyle a가 유리수 :

an=a+1n\displaystyle a_n=a+\frac1ncn=a1n\displaystyle c_n=a-\frac1n는 유리수이고

bn=a+2n\displaystyle b_n=a+\frac{\sqrt2}ndn=a2n\displaystyle d_n=a-\frac{\sqrt2}n는 무리수이다.

limnan=limnbn=limncn=limndn=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}b_n=\lim_{n\to\infty}c_n=\lim_{n\to\infty}d_n=a이고 충분히 큰 자연수 n\displaystyle n에 대하여 h(an)=h(cn)=1,h(bn)=h(dn)=0\displaystyle h(a_n)=h(c_n)=1, h(b_n)=h(d_n)=0이다.

a>0\displaystyle a>0인 유리수일 때, limnh(an)=limnh(cn)=1=h(a)\displaystyle \lim_{n\to\infty}h(a_n)=\lim_{n\to\infty}h(c_n)=1=h(a)이므로 h(x)\displaystyle h(x)x=a\displaystyle x=a에서 S\displaystyle S-연속이다.

limnh(bn)=01=h(a)\displaystyle \lim_{n\to\infty}h(b_n)=0\ne1=h(a)이므로 h(x)\displaystyle h(x)x=a\displaystyle x=a에서 연속이 아니다.

a\displaystyle a가 무리수 :

an=a+1n\displaystyle a_n=a+\frac1ncn=a1n\displaystyle c_n=a-\frac1n는 무리수이고

limnan=limncn=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}c_n=a이고 충분히 큰 자연수 n\displaystyle n에 대하여 h(an)=h(cn)=0\displaystyle h(a_n)=h(c_n)=0이다.

a>0\displaystyle a>0인 무리수일 때, limnh(an)=limnh(cn)=0=h(a)\displaystyle \lim_{n\to\infty}h(a_n)=\lim_{n\to\infty}h(c_n)=0=h(a)이므로 h(x)\displaystyle h(x)x=a\displaystyle x=a에서 S\displaystyle S-연속이다.

제시문 (라)에 의하여 limnbn=a\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=a인 양의 유리수인 수열 {bn\displaystyle b_n}이 존재한다.

limnh(bn)=10=h(a)\displaystyle \lim_{n\to\infty}h(b_n)=1\ne0=h(a)이므로 h(x)\displaystyle h(x)x=a\displaystyle x=a에서 연속이 아니다.

- a=0\displaystyle a=0인 경우

an=1n\displaystyle a_n=\frac1ncn=1n\displaystyle c_n=-\frac1n는 유리수이고

limnan=limncn=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}c_n=0이고 h(an)=1,h(cn)=0\displaystyle h(a_n)=1, h(c_n)=0이다.

limnh(an)=10=limnh(cn)\displaystyle \lim_{n\to\infty}h(a_n)=1\ne0=\lim_{n\to\infty}h(c_n)이므로 h(x)\displaystyle h(x)x=0\displaystyle x=0에서 S\displaystyle S-연속이 아니고, 연속도 아니다.

따라서 함수 h(x)\displaystyle h(x)x=a0\displaystyle x=a\ne0에서 S\displaystyle S-연속이지만 연속이 아니다.

그러므로 x=a\displaystyle x=a에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)S\displaystyle S-연속성은 연속성을 의미하지는 않는다.

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