수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오전) 2번

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문제

[문제 2] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 함수 f(x)=(x−1)(x−3)(x−5)⋯(x−2017)\displaystyle f(x)=(x-1)(x-3)(x-5)\cdots(x-2017)에 대하여 f′(2)≠0\displaystyle f^{\prime}(2)\ne0임을 보이시오.

2. 위의 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f′′(x)f(x)<{f′(x)}2\displaystyle f^{\prime\prime}(x)f(x)<\{f^{\prime}(x)\}^2임을 보이시오.

3. 미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)가{g(x)}3−1=p1(x)p2(x)⋯pn(x)\displaystyle \{g(x)\}^3-1=p_1(x)p_2(x)\cdots p_n(x) (단, n\displaystyle n은 자연수이고 p1(x),…,pn(x)\displaystyle p_1(x),\ldots,p_n(x)는 모든 계수가 정수인 다항식)를 만족할 때, h(x)={p1(x)}2+⋯+{pn(x)}2−n\displaystyle h(x)=\{p_1(x)\}^2+\cdots+\{p_n(x)\}^2-n이라 하자.g(α)=0\displaystyle g(\alpha)=0인 정수 α\displaystyle \alpha에 대하여 h(α)\displaystyle h(\alpha)와 h′(α)\displaystyle h^{\prime}(\alpha)를 구하시오.

해설강의 준비중

1.f′(x)=(x−3)⋯(x−2017)+(x−1)(x−5)⋯(x−2017)+(x−1)(x−3)(x−7)⋯(x−2017)+⋯+(x−1)(x−3)⋯(x−2015)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=(x-3)\cdots(x-2017)+(x-1)(x-5)\cdots(x-2017)\\&\quad+(x-1)(x-3)(x-7)\cdots(x-2017)+\cdots+(x-1)(x-3)\cdots(x-2015)\end{aligned}이고,f′(2)=(2−3)(2−5)⋯(2−2017)+(2−1)(2−5)⋯(2−2017)+(2−1)(2−3)(2−7)⋯(2−2017)+⋯+(2−1)(2−3)⋯(2−2015)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(2)&=(2-3)(2-5)\cdots(2-2017)+(2-1)(2-5)\cdots(2-2017)\\&\quad+(2-1)(2-3)(2-7)\cdots(2-2017)\\&\quad+\cdots+(2-1)(2-3)\cdots(2-2015)\end{aligned}이다. 한편 우변의 첫 두항의 합은(2−3)(2−5)⋯(2−2017)+(2−1)(2−5)⋯(2−2017)=(−1)(2−5)⋯(2−2017)+(1)(2−5)⋯(2−2017)=0\displaystyle \begin{aligned}&(2-3)(2-5)\cdots(2-2017)+(2-1)(2-5)\cdots(2-2017)\\&=(-1)(2-5)\cdots(2-2017)+(1)(2-5)\cdots(2-2017)=0\end{aligned}이므로f′(2)=(2−1)(2−3)(2−7)⋯(2−2017)+⋯+(2−1)(2−3)⋯(2−2015)\displaystyle f^{\prime}(2)=(2-1)(2-3)(2-7)\cdots(2-2017)+\cdots+(2-1)(2-3)\cdots(2-2015)한편 우변의 각항은 음수 1007개의 곱이므로 역시 음수이고, f′(2)<0\displaystyle f^{\prime}(2)<0이다.

2. 우선 임의의 a=1,3,…,2017\displaystyle a=1,3,\ldots,2017에 대하여 f(a)=0\displaystyle f(a)=0이고 f′(a)≠0\displaystyle f^{\prime}(a)\ne0이므로f′′(a)f(a)<(f′(a))2.\displaystyle f^{\prime\prime}(a)f(a)<(f^{\prime}(a))^2.만약 x\displaystyle x가 1,3,…,2017\displaystyle 1,3,\ldots,2017이 아닌 실수라면 f(x)≠0\displaystyle f(x)\ne0이므로f(x)f′′(x)−f′(x)2f(x)2<0−−−−−−(∗)\displaystyle \frac{f(x)f^{\prime\prime}(x)-f^{\prime}(x)^2}{f(x)^2}<0\quad------(*)임을 보이면 된다. 한편f′(x)f(x)=1x−1+⋯+1x−2017\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\frac1{x-1}+\cdots+\frac1{x-2017}이고(f′(x)f(x))′=f(x)f′′(x)−f′(x)2f(x)2=−(1(x−1)2+⋯+1(x−2017)2)<0.\displaystyle \left(\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}\right)^{\prime}=\frac{f(x)f^{\prime\prime}(x)-f^{\prime}(x)^2}{f(x)^2}=-\left(\frac1{(x-1)^2}+\cdots+\frac1{(x-2017)^2}\right)<0.

3. 우선−1=g(α)3−1=p1(α)⋯pn(α)−−−−−(∗)\displaystyle -1=g(\alpha)^3-1=p_1(\alpha)\cdots p_n(\alpha)\quad-----(*)이고 pi(α) (i=1,…,n)\displaystyle p_i(\alpha)\ (i=1,\ldots,n)는 정수이므로 pi(α)=±1\displaystyle p_i(\alpha)=\pm1이고h(α)=p1(α)2+⋯+pn(α)2−n=0.\displaystyle h(\alpha)=p_1(\alpha)^2+\cdots+p_n(\alpha)^2-n=0.한편3g(x)2g′(x)=p1′(x)p2(x)⋯pn(x)+⋯+p1(x)⋯pn−1(x)pn′(x)\displaystyle 3g(x)^2g^{\prime}(x)=p_1^{\prime}(x)p_2(x)\cdots p_n(x)+\cdots+p_1(x)\cdots p_{n-1}(x)p_n^{\prime}(x)이므로0=p1′(α)p2(α)⋯pn(α)+⋯+p1(α)⋯pn−1(α)pn′(α)=−(p1′(α)p1(α)+⋯+pn′(α)pn(α))−−−−−−−−−−−−− (* 적용)=−(p1′(α)p1(α)+⋯+pn′(α)pn(α))−−−−−−−−−−−(pi(α)=±1=1pi(α))\displaystyle \begin{aligned}0&=p_1^{\prime}(\alpha)p_2(\alpha)\cdots p_n(\alpha)+\cdots+p_1(\alpha)\cdots p_{n-1}(\alpha)p_n^{\prime}(\alpha)\\&=-\left(\frac{p_1^{\prime}(\alpha)}{p_1(\alpha)}+\cdots+\frac{p_n^{\prime}(\alpha)}{p_n(\alpha)}\right)\quad-------------\text{ (* 적용)}\\&=-\left(p_1^{\prime}(\alpha)p_1(\alpha)+\cdots+p_n^{\prime}(\alpha)p_n(\alpha)\right)\quad-----------\left(p_i(\alpha)=\pm1=\frac1{p_i(\alpha)}\right)\end{aligned}이고 h′(x)=2(p1(x)p1′(x)+⋯+pn(x)pn′(x))\displaystyle h^{\prime}(x)=2(p_1(x)p_1^{\prime}(x)+\cdots+p_n(x)p_n^{\prime}(x))이므로 h′(α)=0\displaystyle h^{\prime}(\alpha)=0.

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