수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후2) 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음과 같이 주어져 있다.

f(x)=(2x+12x+2)x+12\displaystyle f(x)=\left(\frac{2x+1}{2x+2}\right)^{x+\frac12}

1. 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 부등식 1t+2+ln⁡(t+1)−ln⁡(t+2)<0\displaystyle \frac1{t+2}+\ln(t+1)-\ln(t+2)<0이 성립함을 보이시오.

2. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값을 구하시오.

3. x≥0\displaystyle x\ge0일 때 부등식 f′′(x)f(x)>{f′(x)}2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)f(x)>\{f^{\prime}(x)\}^2이 성립함을 보이시오.

해설강의 준비중
+20점 · 부등식 1t+2+ln⁡(t+1)−ln⁡(t+2)<0\displaystyle \frac1{t+2}+\ln(t+1)-\ln(t+2)<0을 보이기 위하여 적분으로 바꾸거나 평균값 정리를 활용할 수 있는가?

1. 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여1t+2+ln⁡(t+1)−ln⁡(t+2)=∫t+1t+2(1t+2−1x) dx\displaystyle \frac1{t+2}+\ln(t+1)-\ln(t+2)=\int_{t+1}^{t+2}\left(\frac1{t+2}-\frac1x\right)\,dx이다.이때 함수 1t+2−1x\displaystyle \frac1{t+2}-\frac1x은 구간 [t+1,t+2]\displaystyle [t+1,t+2]에서 0보다 작거나 같기 때문에적분값은 0보다 작다. 즉 ∫t+1t+2(1t+2−1x) dx<0\displaystyle \int_{t+1}^{t+2}\left(\frac1{t+2}-\frac1x\right)\,dx<0이다.

y=1/x와 t+1, t+2 구간의 직사각형
+20점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증감을 알아보기 위해 로그함수를 취한 후 미분을 올바르게 했는가?

2. 함수 f(x)=(2x+12x+2)x+12\displaystyle f(x)=\left(\frac{2x+1}{2x+2}\right)^{x+\frac12}의 양변에 로그를 취하면,ln⁡f(x)=(x+12){ln⁡(2x+1)−ln⁡(2x+2)}\displaystyle \ln f(x)=\left(x+\frac12\right)\{\ln(2x+1)-\ln(2x+2)\}이다. 양변을 미분하면,f′(x)f(x)=(x+12){22x+1−22x+2}+ln⁡(2x+1)−ln⁡(2x+2)=12(x+1)+ln⁡(2x+1)−ln⁡(2x+2)=∫2x+12x+2(12(x+1)−1t) dt\displaystyle \begin{aligned}\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}&=\left(x+\frac12\right)\left\{\frac2{2x+1}-\frac2{2x+2}\right\}+\ln(2x+1)-\ln(2x+2)\\&=\frac1{2(x+1)}+\ln(2x+1)-\ln(2x+2)\\&=\int_{2x+1}^{2x+2}\left(\frac1{2(x+1)}-\frac1t\right)\,dt\end{aligned}위의 식에서 피적분 함수 h(t)=12(x+1)−1t\displaystyle h(t)=\frac1{2(x+1)}-\frac1t는구간 [2x+1,2x+2]\displaystyle [2x+1,2x+2]에서 0보다 작거나 같기 때문에 f′(x)f(x)<0\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}<0을 얻는다.

+20점 · f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값을 구했는가?

그리고 실수 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로, f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이다. 즉, f(x)\displaystyle f(x)는 감소함수이다.따라서 f(x)≤f(0)=22\displaystyle f(x)\le f(0)=\frac{\sqrt2}2이므로, 최댓값은 22\displaystyle \frac{\sqrt2}2이다.

y=1/t와 2x+1, 2x+2 구간의 직사각형
+20점 · ln⁡f(x)\displaystyle \ln f(x)의 2계 도함수를 올바르게 구했는가?

3. x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 g(x)=ln⁡f(x)\displaystyle g(x)=\ln f(x)라 하자. 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면,g′(x)=f′(x)f(x)=12(x+1)+ln⁡(2x+1)−ln⁡(2x+2)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\frac1{2(x+1)}+\ln(2x+1)-\ln(2x+2) -------- ①다시 ①의 양변을 미분하면,g′′(x)=f′′(x)f(x)−[f′(x)]2[f(x)]2\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=\frac{f^{\prime\prime}(x)f(x)-[f^{\prime}(x)]^2}{[f(x)]^2}이다.

+20점 · f′′(x)f(x)>{f(x)}2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)f(x)>\{f(x)\}^2이 실수 x≥0\displaystyle x\ge0에서 성립함을 보였는가?

이때, 실수 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로,f′′(x)f(x)>[f(x)]2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)f(x)>[f(x)]^2이기 위한 필요충분조건은 g′′(x)>0\displaystyle g^{\prime\prime}(x)>0이다.Correction. 부등식 우변의 {f(x)}2\displaystyle \{f(x)\}^2는 {f′(x)}2\displaystyle \{f^{\prime}(x)\}^2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.g′′(x)=−12(x+1)2+1x+12−1x+1=1x+12−1x+1(1+12(x+1))>0\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=-\frac1{2(x+1)^2}+\frac1{x+\frac12}-\frac1{x+1}=\frac1{x+\frac12}-\frac1{x+1}\left(1+\frac1{2(x+1)}\right)>0⇔ 1x+12>1x+1(1+12(x+1))\displaystyle \frac1{x+\frac12}>\frac1{x+1}\left(1+\frac1{2(x+1)}\right)⇔ (x+1)2>(x+12)(x+32)\displaystyle (x+1)^2>\left(x+\frac12\right)\left(x+\frac32\right) -------- ②모든 실수 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 부등식 ②가 성립하므로,부등식 f′′(x)f(x)>{f′(x)}2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)f(x)>\{f^{\prime}(x)\}^2이 성립한다.

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