<가> n≥3인 자연수 n에 대하여 함수 f(x)를 다음과 같이 정의하자.f(x)=(1−xn)n1(0≤x≤1)
<나> 곡선 y=f(x) 위의 한 점 (x0,f(x0))(0<x0<1)에서의 접선이 x축과 만나는 점을 P, y축과 만나는 점을 Q라 하자.
<다> 수열 {an},{bn},{cn}에 대하여 n→∞liman=n→∞limbn=L이고 모든 자연수 n에 대하여 an≤cn≤bn이면, n→∞limcn=L이다.
1.곡선 y=f(x)(0≤x≤1) 위의 점 중에서 원점까지의 거리가 최대인 점을 A라 하자. 점 A의 좌표를 구하시오.
2.선분 PQ의 길이의 최솟값을 구하시오.
3.자연수 n에 대하여 dn=∫01(1−xn)n1dx라 할 때, 극한값 n→∞limdn을 구하시오.
해설강의 준비중
한양대 서울캠퍼스 2018학년도 수시 자연계열 (오후1) 2번 · mathesis.kr/archive/hanyang_seoul/2018su/jayeon_pm1_2
1. 원점 (0,0)과 곡선 y=f(x) 위의 점 (x,f(x)) 사이의 거리의 제곱을 g(x)(0≤x≤1)라 하자.함수 g(x)의 정의에 의해 g(x)=x2+(1−xn)n2이다.g(0)=1,g(1)=1이고, g′(x)=2x−2(1−xn)n2−1xn−1이다. 0<x<1일 때g′(x)>0⇔x−(1−xn)n2−1xn−1>0⇔x2−n−(1−xn)n2−n>0⇔x2−n>(1−xn)n2−n⇔x<(1−xn)n1 (n≥3이므로)⇔xn<1−xn⇔xn<21⇔x<(21)n1비슷한 방법으로 g′(x)=0⇔x=(21)n1, 그리고 g′(x)<0⇔x>(21)n1임을 확인할 수 있다.따라서 x=(21)n1에서 g(x)가 최대가 된다.f((21)n1)=(21)n1이므로 원하는 점 A의 좌표는 ((21)n1,(21)n1)이다.
2. 0<x<1일 때 f′(x)=−(1−xn)n1−nxn−1<0이다.곡선 y=f(x)의 한 점 (x0,f(x0))의 접선의 방정식은 y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)점 P의 좌표를 (p,0), 점 Q의 좌표를 (0,q)이라 하면 0=f′(x0)(p−x0)+f(x0),q=f′(x0)(0−x0)+f(x0)따라서 p=−f′(x0)f(x0)−x0f′(x0),q=f(x0)−x0f′(x0)즉, 점 P의 좌표는 (−f′(x0)f(x0)−x0f′(x0),0), 점 Q의 좌표는 (0,f(x0)−x0f′(x0))이다.이로부터 선분 PQ의 길이의 제곱을 h(x0)라 하면h(x0)=∣f′(x0)∣2∣f(x0)−x0f′(x0)∣2(1+(f′(x0))2)(0<x0<1)을 얻는다.한편 ∣f(x0)−x0f′(x0)∣=(1−x0n)n1+x0n(1−x0n)n1−n=(1−x0n)n1−n,∣f′(x0)∣=(1−x0n)n1−nx0n−1이므로 정리하면h(x0)=(x01)2(n−1)+(1−x0n)n2(1−n)선분 PQ의 길이의 최솟값을 찾기 위해서는 구간 (0,1)에서의 h(x)의 최솟값을 찾으면 충분하다.x가 0또는 1로 수렴함에 따라 h(x)는 양의 무한대로 발산한다.또한 h′(x)=2(1−n)(x1−2n−(1−xn)n2−3nxn−1)이므로, 0<x<1일 때h′(x)>0⇔x1−2n−(1−xn)n2−3nxn−1<0 (n≥3이므로) ⇔x2−3n−(1−xn)n2−3n<0⇔x2−3n<(1−xn)n2−3n⇔x>(1−xn)n1 (n≥3이므로) ⇔xn>1−xn⇔xn>21⇔x>(21)n1비슷한 방법으로 h′(x)=0⇔x=(21)n1, 그리고 h′(x)<0⇔x<(21)n1임을 확인할 수 있다.따라서 x=(21)n1에서 h(x)가 최소가 되고 h((21)n1)=2⋅4nn−1이다.선분 PQ의 길이의 최솟값은 h((21)n1)의 양의 제곱근인 2⋅2nn−1이다.
3.
0<x<1일 때 f(x)>0,f′(x)<0이고, f((21)n1)=(21)n1따라서 0<x<(21)n1이면 (21)n1<f(x)<1이다. 이로부터(한 변의 길이가 (21)n1인 정사각형의 넓이) =∫0(21)n1(21)n1dx≤∫0(21)n1f(x)dx≤∫01f(x)dx=∫01(1−xn)n1dx≤∫011dx= (한 변의 길이가 1인 정사각형의 넓이)를 얻는다. 정리하면 (21)n2≤dn≤1이 때 n→∞lim(21)n2=1이므로 제시문 <다>에 의해 n→∞limdn=1