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자연계열 1-3번

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심화 밑이 같은 지수함수와 로그함수의 교점의 개수

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+20점 · R(a)\displaystyle R(a)S(a)\displaystyle S(a)a\displaystyle a로 표현하였는가?

지수함수 y=ax\displaystyle y=a^{x}와 로그함수 y=logax\displaystyle y=\log_{a}x는 그 그래프가 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이다. 따라서 두 점 A,B\displaystyle A,B는 직선 y=x\displaystyle y=x 위의 점이며 R(a)\displaystyle R(a)는 곡선 y=ax\displaystyle y=a^{x}와 직선 y=x\displaystyle y=x로 둘러싸인 도형의 넓이의 2\displaystyle 2배이다. 따라서R(a)=2f(a)g(a)(xax)dx=2[12x2axlna]f(a)g(a)=g(a)2f(a)22(ag(a)af(a))lna=g(a)2f(a)22(g(a)f(a))lna=(g(a)f(a))(g(a)+f(a)2lna)\displaystyle \begin{aligned} R(a)&=2\int_{f(a)}^{g(a)}(x-a^{x})\,dx=2\Biggl[\frac{1}{2}x^{2}-\frac{a^{x}}{\ln a}\Biggr]_{f(a)}^{g(a)}=g(a)^{2}-f(a)^{2}-\frac{2\left(a^{g(a)}-a^{f(a)}\right)}{\ln a} \\ &=g(a)^{2}-f(a)^{2}-\frac{2(g(a)-f(a))}{\ln a}=(g(a)-f(a))\left(g(a)+f(a)-\frac{2}{\ln a}\right) \end{aligned}

선분 AB의 길이는 2(g(a)f(a))\displaystyle \sqrt{2}(g(a)-f(a))이므로 S(a)=2(g(a)f(a))2\displaystyle S(a)=2(g(a)-f(a))^{2}이다. 그러므로R(a)S(a)=g(a)+f(a)2lna2(g(a)f(a))=1+f(a)g(a)2g(a)lna2(1f(a)g(a)) ⁣ ①\displaystyle \frac{R(a)}{S(a)}=\frac{g(a)+f(a)-\frac{2}{\ln a}}{2(g(a)-f(a))}=\frac{1+\frac{f(a)}{g(a)}-\frac{2}{g(a)\ln a}}{2\left(1-\frac{f(a)}{g(a)}\right)}\qquad\cdots\!\cdots\ ①

+20점 · 극한값 lima1+R(a)S(a)\displaystyle \lim_{a\to 1+}\frac{R(a)}{S(a)} 를 구하였는가?

한편, 1<a<e1e\displaystyle 1<a<e^{\frac{1}{e}}이므로 lna<1e\displaystyle \ln a<\frac{1}{e}이고, ae<e<1lna=logae\displaystyle a^{e}<e<\frac{1}{\ln a}=\log_{a}e이다. 또한, x>0\displaystyle x>0에 대하여, ax<logax\displaystyle a^{x}<\log_{a}xf(a)<x<g(a)\displaystyle f(a)<x<g(a)가 동치이다. 그러므로 f(a)<e<g(a)\displaystyle f(a)<e<g(a)이다. ag(a)=g(a)>e\displaystyle a^{g(a)}=g(a)>e이므로 g(a)>logae=1lna\displaystyle g(a)>\log_{a}e=\frac{1}{\ln a}이다. 0<f(a)g(a)<elna\displaystyle 0<\frac{f(a)}{g(a)}<e\ln a이므로 lima1+f(a)g(a)=0\displaystyle \lim_{a\to 1+}\frac{f(a)}{g(a)}=0이다. 또한, ag(a)=g(a)>1lna\displaystyle a^{g(a)}=g(a)>\frac{1}{\ln a}이므로 g(a)>loga ⁣(1lna)=ln ⁣(1lna)lna\displaystyle g(a)>\log_{a}\!\left(\frac{1}{\ln a}\right)=\frac{\ln\!\left(\frac{1}{\ln a}\right)}{\ln a}이다. 따라서 0<1g(a)lna<1ln ⁣(1lna)\displaystyle 0<\frac{1}{g(a)\ln a}<\frac{1}{\ln\!\left(\frac{1}{\ln a}\right)}이므로 lima1+1g(a)lna=0\displaystyle \lim_{a\to 1+}\frac{1}{g(a)\ln a}=0이다. ①에 의해lima1+R(a)S(a)=lima1+1+f(a)g(a)2g(a)lna2(1f(a)g(a))=12\displaystyle \lim_{a\to 1+}\frac{R(a)}{S(a)}=\lim_{a\to 1+}\frac{1+\frac{f(a)}{g(a)}-\frac{2}{g(a)\ln a}}{2\left(1-\frac{f(a)}{g(a)}\right)}=\frac{1}{2}이다.

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