수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후1) 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

<가> 중간값의 정리는 다음과 같다.함수 g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 g(a)≠g(b)\displaystyle g(a)\ne g(b)일 때, g(a)\displaystyle g(a)와 g(b)\displaystyle g(b) 사이의 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 g(c)=r\displaystyle g(c)=r인 실수 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 적어도 하나 존재한다.

<나> 평균값의 정리는 다음과 같다.함수 h(x)\displaystyle h(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능하면,h(b)−h(a)b−a=h′(c)\displaystyle \frac{h(b)-h(a)}{b-a}=h^{\prime}(c)인 실수 c\displaystyle c가 a\displaystyle a와 b\displaystyle b 사이에 적어도 하나 존재한다.

<다> 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음 조건을 만족시킨다.① 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 미분가능하고, 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 연속이다.② f(0)=0,f(1)=1\displaystyle f(0)=0,f(1)=1이다.

1. 제시문 <다>의 조건과 임의의 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 f(x+y)=f(x)+f(y)+6xy\displaystyle f(x+y)=f(x)+f(y)+6xy를 만족시키는 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.

2. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 제시문 <다>의 조건을 만족시키면, 1f′(c1)+1f′(c2)=2\displaystyle \frac1{f^{\prime}(c_1)}+\frac1{f^{\prime}(c_2)}=2이고 0≤c1<c2≤1\displaystyle 0\le c_1<c_2\le1인 c1,c2\displaystyle c_1,c_2가 존재함을 보이시오.

3. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 제시문 <다>의 조건을 만족시키면, 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 1f′(c1)+⋯+1f′(cn)=n\displaystyle \frac1{f^{\prime}(c_1)}+\cdots+\frac1{f^{\prime}(c_n)}=n이고 0≤c1<⋯<cn≤1\displaystyle 0\le c_1<\cdots<c_n\le1인 c1,⋯ ,cn\displaystyle c_1,\cdots,c_n이 존재함을 보이시오.

해설강의 준비중
+30점 · 주어진 관계식으로부터 미분의 정의를 이용하여 식을 찾을 수 있는가? 미분과 적분의 관계를 이해하고, 조건을 만족시키는 함수를 찾을 수 있는가?

1. f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0f(x)+f(h)+6xh−f(x)h=lim⁡h→0f(h)h+6x=f′(0)+6x\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}h=\lim_{h\to0}\frac{f(x)+f(h)+6xh-f(x)}h\\&=\lim_{h\to0}\frac{f(h)}h+6x=f^{\prime}(0)+6x\end{aligned}따라서 f(x)=3x2+f′(0)x+C\displaystyle f(x)=3x^2+f^{\prime}(0)x+C이다. (여기서 C\displaystyle C는 적분상수이다)∎ f(0)=0=C\displaystyle f(0)=0=C이다.∎ f(1)=1=3+f′(0)\displaystyle f(1)=1=3+f^{\prime}(0)이므로 f′(0)=−2\displaystyle f^{\prime}(0)=-2이다.그러므로 f(x)=3x2−2x\displaystyle f(x)=3x^2-2x이다.

+10점 · 중간값의 정리를 정확히 이해하고 있는가?

2. 중간값의 정리에 의해 f(x)=12\displaystyle f(x)=\frac12인 x0\displaystyle x_0가 0과 1사이에 존재한다.

+20점 · 평균값의 정리를 적용하여 주어진 식을 유도해낼 수 있는가?

구간 [0,x0]\displaystyle [0,x_0]와 [x0,1]\displaystyle [x_0,1]에 대하여 평균값의 정리를 적용하면,f′(c1)=f(x0)−f(0)x0=f(x0)x0\displaystyle f^{\prime}(c_1)=\frac{f(x_0)-f(0)}{x_0}=\frac{f(x_0)}{x_0}와 f′(c2)=f(1)−f(x0)1−x0=1−f(x0)1−x0\displaystyle f^{\prime}(c_2)=\frac{f(1)-f(x_0)}{1-x_0}=\frac{1-f(x_0)}{1-x_0}인 0<c1<x0\displaystyle 0<c_1<x_0과 x0<c2<1\displaystyle x_0<c_2<1가 존재한다.1f′(c1)+1f′(c2)=2 ⇔ x0f(x0)+1−x01−f(x0)=2 ⇔ x0(1−f(x0))+(1−x0)f(x0)=2f(x0)(1−f(x0)) ⇔ (1−2f(x0))(x0−f(x0))=0\displaystyle \begin{aligned}\frac1{f^{\prime}(c_1)}+\frac1{f^{\prime}(c_2)}=2&\ \Leftrightarrow\ \frac{x_0}{f(x_0)}+\frac{1-x_0}{1-f(x_0)}=2\\&\ \Leftrightarrow\ x_0(1-f(x_0))+(1-x_0)f(x_0)=2f(x_0)(1-f(x_0))\\&\ \Leftrightarrow\ (1-2f(x_0))(x_0-f(x_0))=0\end{aligned}그런데, f(x0)=12\displaystyle f(x_0)=\frac12이므로, 1−2f(x0)=0\displaystyle 1-2f(x_0)=0이다. 따라서 (1−2f(x0))(x0−f(x0))=0\displaystyle (1-2f(x_0))(x_0-f(x_0))=0이 성립한다.그러므로 1f′(c1)+1f′(c2)=2\displaystyle \frac1{f^{\prime}(c_1)}+\frac1{f^{\prime}(c_2)}=2이다.

+20점 · 중간값의 정리를 이해하고, 주어진 상황에 적용할 수 있는가?

3. n=1\displaystyle n=1인 경우는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 평균값 정리를 적용하면, f′(c1)=f(1)−f(0)1−0=1\displaystyle f^{\prime}(c_1)=\frac{f(1)-f(0)}{1-0}=1인 c1\displaystyle c_1이 0과 1사이에 존재한다. n=2\displaystyle n=2인 경우는 (2)에서 이미 증명하였는데, 증명의 아이디어는 다음과 같다.① 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]의 함수 f\displaystyle f에 대한 치역 f([0,1])\displaystyle f([0,1])에 포함되는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]을 2등분하여 중간값의 정리를 적용.② 중간값의 정리의 적용을 통해 구한 값 x0∈(0,1)\displaystyle x_0\in(0,1)에 의해 결정된 두 구간 [0,x0]\displaystyle [0,x_0]과 [x0,1]\displaystyle [x_0,1]에 대해 평균값의 정리를 적용.n≥3\displaystyle n\ge3인 경우에도 위의 아이디어를 적용한다. 우선 치역 f([0,1])\displaystyle f([0,1])에 포함되는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]을 n\displaystyle n등분하여 얻은 값은 1n,⋯ ,n−1n\displaystyle \frac1n,\cdots,\frac{n-1}n이다. k\displaystyle k는 1≤k≤n−1\displaystyle 1\le k\le n-1인 자연수라고 할 때, 중간값의 정리에 의해 f(x)=kn\displaystyle f(x)=\frac kn를 만족시키는 x\displaystyle x가 0과 1사이에 적어도 하나 존재한다. 그런 x\displaystyle x중에서 제일 작은 수를 ak\displaystyle a_k라고 하자. 그러면,f(ak)=kn (1≤k≤n−1)\displaystyle f(a_k)=\frac kn\ (1\le k\le n-1)이고, 중간값의 정리에 의해 0<a1<a2<⋯<an−1<1\displaystyle 0<a_1<a_2<\cdots<a_{n-1}<1을 만족함을 알 수 있다.

+20점 · 평균값의 정리를 반복적으로 적용하여 주어진 식을 구할 수 있는가?

a0=0,an=1\displaystyle a_0=0,a_n=1이라 하고, 구간 [ak−1,ak]\displaystyle [a_{k-1},a_k]에서 평균값의 정리를 적용하면 f′(ck)=f(ak)−f(ak−1)ak−ak−1\displaystyle f^{\prime}(c_k)=\frac{f(a_k)-f(a_{k-1})}{a_k-a_{k-1}}을 만족시키는 ck\displaystyle c_k가 ak−1\displaystyle a_{k-1}과 ak\displaystyle a_k사이에 적어도 하나 존재한다. 그런데, f′(ck)=f(ak)−f(ak−1)ak−ak−1=kn−k−1nak−ak−1=1n(ak−ak−1)\displaystyle f^{\prime}(c_k)=\frac{f(a_k)-f(a_{k-1})}{a_k-a_{k-1}}=\frac{\frac kn-\frac{k-1}n}{a_k-a_{k-1}}=\frac1{n(a_k-a_{k-1})}이므로, ∑k=1n1f′(ck)=∑k=1nn(ak−ak−1)=n(an−a0)=n\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac1{f^{\prime}(c_k)}=\sum_{k=1}^n n(a_k-a_{k-1})=n(a_n-a_0)=n이다.

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