수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

0이 아닌 서로 다른 상수 p,q\displaystyle p,q와 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=px+qx\displaystyle f(x)=p^x+q^x으로 정의되는 함수f(x)\displaystyle f(x)는 다음의 조건 (가)와 (나)를 만족한다.(가) f(1)=3\displaystyle f(1)=3(나) 모든 자연수m,n\displaystyle m,n에 대해서 f(m)f(n)=f(m+n)+f(m−n)\displaystyle f(m)f(n)=f(m+n)+f(m-n)이다.

1. f(3)\displaystyle f(3)을 구하시오.

2. 상수p,q\displaystyle p,q를 구하시오.

3. 미분계수 f′(a)=1\displaystyle f^{\prime}(a)=1이 되는 a\displaystyle a는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에 몇 개가 되는가를 논하시오.

해설강의 준비중

(1) 조건 (나) f(m)f(n)=f(m+n)+f(m−n)\displaystyle f(m)f(n)=f(m+n)+f(m-n)로부터f(x)=px+qx\displaystyle f(x)=p^x+q^x에서 f(0)=p0+q0=2\displaystyle f(0)=p^0+q^0=2이므로 f(0)=2\displaystyle f(0)=2.자연수m=1,n=1\displaystyle m=1,n=1이면 f(1)f(1)=f(2)+f(0)\displaystyle f(1)f(1)=f(2)+f(0)이므로 f(2)=7\displaystyle f(2)=7.자연수m=2,n=1\displaystyle m=2,n=1이면 f(2)f(1)=f(3)+f(1)\displaystyle f(2)f(1)=f(3)+f(1)이므로 f(3)=18\displaystyle f(3)=18.[별해] 자연수n=1\displaystyle n=1이면 f(m)f(1)=f(m+1)+f(m−1)\displaystyle f(m)f(1)=f(m+1)+f(m-1)이므로,점화식 f(m)=3f(m−1)−f(m−2)\displaystyle f(m)=3f(m-1)-f(m-2)을 이용하면f(0)=2, f(1)=3\displaystyle f(0)=2,\ f(1)=3이므로 f(2)=7\displaystyle f(2)=7이고 f(3)=18\displaystyle f(3)=18.

(2) 점화식 f(m)=3f(m−1)−f(m−2)\displaystyle f(m)=3f(m-1)-f(m-2)을 이용하면모든 자연수m\displaystyle m에 대해서 pm+2+qm+2=3(pm+1+qm+1)−(pm+qm)\displaystyle p^{m+2}+q^{m+2}=3(p^{m+1}+q^{m+1})-(p^m+q^m)이다.따라서 모든 자연수m\displaystyle m에 대해서 pm(p2−3p+1)+qm(q2−3q+1)=0\displaystyle p^m(p^2-3p+1)+q^m(q^2-3q+1)=0만족되어야 한다.p=12(3±5)\displaystyle p=\frac12(3\pm\sqrt5)이면 p2−3p+1=0\displaystyle p^2-3p+1=0이다.조건으로 부터 p=12(3+5), q=12(3−5)\displaystyle p=\frac12(3+\sqrt5),\ q=\frac12(3-\sqrt5)이다.[별해] f(1)=p+q=3, f(2)=p2+q2=7\displaystyle f(1)=p+q=3,\ f(2)=p^2+q^2=7로부터 9=(p+q)2=p2+q2+2pq=7+2pq\displaystyle 9=(p+q)^2=p^2+q^2+2pq=7+2pq이다.따라서 pq=1\displaystyle pq=1.q=3−p\displaystyle q=3-p를 pq=1\displaystyle pq=1에 대입하면 p2−3p+1=0\displaystyle p^2-3p+1=0. 따라서 p=12(3±5)\displaystyle p=\frac12(3\pm\sqrt5)이다.p=12(3+5)\displaystyle p=\frac12(3+\sqrt5)이면 q=12(3−5)\displaystyle q=\frac12(3-\sqrt5)p=12(3−5)\displaystyle p=\frac12(3-\sqrt5)이면 q=12(3+5)\displaystyle q=\frac12(3+\sqrt5)

(3) f(x)=px+qx\displaystyle f(x)=p^x+q^x이므로f(x)\displaystyle f(x)는 미분가능한 함수이며 도함수는 f′(x)=pxln⁡p+qxln⁡q\displaystyle f^{\prime}(x)=p^x\ln p+q^x\ln qf′(0)=ln⁡p+ln⁡q=ln⁡pq=0\displaystyle f^{\prime}(0)=\ln p+\ln q=\ln pq=0: 문제 (2)에서 p∗q=(12(3+5))∗(12(3−5))=1\displaystyle p*q=\left(\frac12(3+\sqrt5)\right)*\left(\frac12(3-\sqrt5)\right)=1. f′(0)<1\displaystyle f^{\prime}(0)<1이다.f′(1)=pln⁡p+qln⁡q>1; ln⁡p+ln⁡q=0\displaystyle f^{\prime}(1)=p\ln p+q\ln q>1;\ \ln p+\ln q=0이므로 ln⁡q=−ln⁡p\displaystyle \ln q=-\ln p이고 p−q=5>2\displaystyle p-q=\sqrt5>2이므로f′(1)=pln⁡p+qln⁡q=(p−q)ln⁡p=5ln⁡p\displaystyle f^{\prime}(1)=p\ln p+q\ln q=(p-q)\ln p=\sqrt5\ln p.또한, p2=12(7+35)>3>e\displaystyle p^2=\frac12(7+3\sqrt5)>3>e이므로 f′(1)=5ln⁡p>2ln⁡p>ln⁡p2>1\displaystyle f^{\prime}(1)=\sqrt5\ln p>2\ln p>\ln p^2>1Correction. 2ln⁡p>ln⁡(p2)\displaystyle 2\ln p>\ln(p^2)의 부등호는 등호의 오기이다. 2ln⁡p=ln⁡(p2)\displaystyle 2\ln p=\ln(p^2)이며 뒤 결론은 같다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 f′(1)=5ln⁡p>1\displaystyle f^{\prime}(1)=\sqrt5\ln p>1.f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속함수 이며, f′(0)<1<f′(1)\displaystyle f^{\prime}(0)<1<f^{\prime}(1)이므로, 중간값 정리에 의해서 f′(a)=1\displaystyle f^{\prime}(a)=1이 되는 a\displaystyle a는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 적어도 한 개가 존재한다.어떤 값 0≤b≤1\displaystyle 0\le b\le1에 대해 f′(b)=1\displaystyle f^{\prime}(b)=1이라 하자. f′′(x)=px(ln⁡p)2+qx(ln⁡q)2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=p^x(\ln p)^2+q^x(\ln q)^2이고 0이 아닌 모든 실수 x\displaystyle x에 대해서f′′(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0이므로 함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 음이 아닌 실수 x\displaystyle x에 대해서 연속하는 증가함수이다. 따라서 0≤x<b\displaystyle 0\le x<b에 대해 f′(x)<f′(b)\displaystyle f^{\prime}(x)<f^{\prime}(b)이며 b<x≤1\displaystyle b<x\le1에 대해 f′(b)<f′(x)\displaystyle f^{\prime}(b)<f^{\prime}(x)이다. 즉, f′(a)=1\displaystyle f^{\prime}(a)=1이 되는 a\displaystyle a는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에 단 한 개만 존재한다.

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