수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 함수 y=xn\displaystyle y=x^n(n\displaystyle n은 정수), y=xr\displaystyle y=x^r(r\displaystyle r은 유리수), y=xr\displaystyle y=x^r(r\displaystyle r는 실수)의 도함수를 구하는 과정에 대한 물음에 제시문을 읽고 답하시오. (50점)

(가) 다항식 P(x)\displaystyle P(x)에 대하여 P(a)=0\displaystyle P(a)=0이면 P(x)=(x−a)Q(x)\displaystyle P(x)=(x-a)Q(x)인 다항식 Q(x)\displaystyle Q(x)가 존재하며, 다항함수는 도함수가 존재하며 연속이다.

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하고 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=f(a)\displaystyle x=f(a)에서 미분가능할 때, 합성함수 g(f(x))\displaystyle g(f(x))의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수는 g′(f(a))f′(a)\displaystyle g'(f(a))f'(a)이다.

(다) 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하면 함수 f(x)g(x)\displaystyle f(x)g(x)의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수는 f′(a)g(a)+f(a)g′(a)\displaystyle f'(a)g(a)+f(a)g'(a)이다.

(라) 양수 c\displaystyle c에 대하여 eln⁡c=c\displaystyle e^{\ln c}=c이다.

1. 자연수 n\displaystyle n과 실수 a\displaystyle a에 대하여 P(x)=xn−an\displaystyle P(x)=x^n-a^n라 할 때, P(x)=(x−a)Q(x)\displaystyle P(x)=(x-a)Q(x)인 다항식 Q(x)\displaystyle Q(x)가 존재함을 설명하고 다항식 Q(x)\displaystyle Q(x)를 구하는 방법을 설명하시오. 이를 이용하여 다항함수 f(x)=xn\displaystyle f(x)=x^n의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 구하시오.

2. 양수 a\displaystyle a, 자연수 n\displaystyle n, 정수 k\displaystyle k에 대하여, 함수 h(x)=xn+kn\displaystyle h(x)=x^{\frac{n+k}n}의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 n+k≥0\displaystyle n+k\ge0인 경우와 n+k<0\displaystyle n+k<0인 경우로 나누어서 제시문 (가), (나), (다)를 이용하여 구하시오.

3. 양수 a\displaystyle a, 자연수 n\displaystyle n, 정수 k\displaystyle k에 대하여, 함수 h(x)=xn+kn\displaystyle h(x)=x^{\frac{n+k}n}에 대하여 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 제시문 (가), (나), (라)를 이용하여 구하시오.

4. 양수 a\displaystyle a와 유리수 r\displaystyle r에 대하여 h(x)=xr\displaystyle h(x)=x^r의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 구하는 방법을 위의 결과의 관점에서 설명하고, 양수 a\displaystyle a와 유리수가 아닌 실수 r\displaystyle r에 대하여 h(x)=xr\displaystyle h(x)=x^r의 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 구할 수 있는지를 위의 결과의 관점에서 설명하시오.

해설강의 준비중

(1) P(a)=an−an=0\displaystyle P(a)=a^n-a^n=0이므로 P(x)=(x−a)Q(x)\displaystyle P(x)=(x-a)Q(x)가 성립하는 다항식 Q(x)\displaystyle Q(x)가 존재하고 Q(x)=∑j=0n−1ajxj\displaystyle Q(x)=\sum_{j=0}^{n-1}a_jx^j라 두고P(x)=(x−a)Q(x)\displaystyle P(x)=(x-a)Q(x)의 양변의 계수를 비교하면 Q(x)=an−1+an−2x+⋯+axn−2+xn−1\displaystyle Q(x)=a^{n-1}+a^{n-2}x+\cdots+ax^{n-2}+x^{n-1}이다.f′(a)=lim⁡x→af(x)−f(a)x−a=lim⁡x→axn−anx−a=lim⁡x→a(x−a)(an−1+⋯+xn−1)x−a=nan−1\displaystyle f'(a)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}=\lim_{x\to a}\frac{x^n-a^n}{x-a}=\lim_{x\to a}\frac{(x-a)(a^{n-1}+\cdots+x^{n-1})}{x-a}=na^{n-1}이다.

(2) g(x)=xn\displaystyle g(x)=x^n이라두자(ㄱ) n+k≥0\displaystyle n+k\ge0인 경우g(h(x))=xn+k\displaystyle g(h(x))=x^{n+k}이고 양변을 x=a\displaystyle x=a에서 미분하면,g′(h(a))h′(a)=(n+k)an+k−1\displaystyle g'(h(a))h'(a)=(n+k)a^{n+k-1}이고 g′(h(a))=nh(a)n−1=na(n+k)(n−1)n\displaystyle g'(h(a))=nh(a)^{n-1}=na^{\frac{(n+k)(n-1)}n}이다.따라서 h′(a)=n+knan+k−1−(n+k)(n−1)n=n+knakn\displaystyle h'(a)=\frac{n+k}n a^{n+k-1-\frac{(n+k)(n-1)}n}=\frac{n+k}n a^{\frac kn}이다.(ㄴ) n+k<0\displaystyle n+k<0인 경우 −m=n+k\displaystyle -m=n+k라 두면g(h(x))=xn+k=x−m\displaystyle g(h(x))=x^{n+k}=x^{-m}이고 따라서 xmg(h(x))=1\displaystyle x^mg(h(x))=1이고 양변을 x=a\displaystyle x=a에서 미분하면,mam−1g(h(a))+amg′(h(a))h′(a)=0\displaystyle ma^{m-1}g(h(a))+a^mg'(h(a))h'(a)=0이고 g′(h(a))=nh(a)n−1=na−m(n−1)n\displaystyle g'(h(a))=nh(a)^{n-1}=na^{\frac{-m(n-1)}n}이다.따라서 h′(a)=−mam−1g(h(a))amg′(h(a))=−mna−1+n+k+m(n−1)n=n+knakn\displaystyle h'(a)=-\frac{ma^{m-1}g(h(a))}{a^mg'(h(a))}=-\frac mn a^{-1+n+k+\frac{m(n-1)}n}=\frac{n+k}n a^{\frac kn}이다.

(3) h(x)=eln⁡h(x)=en+knln⁡x\displaystyle h(x)=e^{\ln h(x)}=e^{\frac{n+k}n\ln x}이므로h′(x)=en+knln⁡xn+kn1x=n+knxn+kn−1\displaystyle h'(x)=e^{\frac{n+k}n\ln x}\frac{n+k}n\frac1x=\frac{n+k}n x^{\frac{n+k}n-1}이다.따라서 h′(a)=n+knakn\displaystyle h'(a)=\frac{n+k}n a^{\frac kn}이다.

(4) 유리수 r\displaystyle r에 대하여 모든 유리수는 mn ((m,n)=1,n>0)\displaystyle \frac mn\ ((m,n)=1,n>0)로 나타낼 수 있고 m−n=k\displaystyle m-n=k라 두면 r=n+kn\displaystyle r=\frac{n+k}n이므로(2)와 (3)의 관점에서 x=a\displaystyle x=a에서 미분계수를 구하면 모두 h′(a)=rar−1\displaystyle h'(a)=ra^{r-1}인 것을 알 수 있다.유리수가 아닌 실수 r\displaystyle r에 대하여는 (2)의 방법을 적용하여 풀 수 없고 (3)의 방법으로 풀면h(x)=eln⁡h(x)=erln⁡x\displaystyle h(x)=e^{\ln h(x)}=e^{r\ln x}이므로 h′(x)=erln⁡xr1x=rxr−1\displaystyle h'(x)=e^{r\ln x}r\frac1x=rx^{r-1}이다.따라서 h′(a)=rar−1\displaystyle h'(a)=ra^{r-1}이다.

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