수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

(가) 집합 X\displaystyle X에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수는 f(x)\displaystyle f(x)의 치역 Y\displaystyle Y에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)로, X\displaystyle X에 속한 임의의 x\displaystyle x에 대해서 g(f(x))=x\displaystyle g(f(x))=x를 만족하는 것이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 역함수를 갖는다면 f(x)\displaystyle f(x)는 일대일 함수이다.

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 일대일 함수가 아닌 경우에도, 정의역의 어떤 부분집합 I\displaystyle I에 국한하여 볼 때는 일대일인 경우가 있다. 이때 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 부분집합 I\displaystyle I에서만 정의된 것으로 보고 역함수 g(x)\displaystyle g(x)를 생각할 수 있는데, 이러한 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 부분집합 I\displaystyle I에서 f(x)\displaystyle f(x)의 부분역함수라 부른다. 예를 들어, 함수 f(x)=x2\displaystyle f(x)=x^2은 구간 x≥0\displaystyle x\ge0에서 부분역함수 g1(x)=x\displaystyle g_1(x)=\sqrt x와 구간 x≤0\displaystyle x\le0에서 부분역함수 g2(x)=−x\displaystyle g_2(x)=-\sqrt x를 가진다.

(다) 역함수의 미분법 : 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 역함수 g(x)\displaystyle g(x)를 갖는다고 하자. 한 점 x=a\displaystyle x=a에서 f′(a)≠0\displaystyle f^{\prime}(a)\ne0일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=b=f(a)\displaystyle x=b=f(a)에서 미분가능하고 g′(b)=1f′(a)\displaystyle g^{\prime}(b)=\frac1{f^{\prime}(a)}이다.

(3-1) 실수 t\displaystyle t가 부등식 −16<t<16\displaystyle -16<t<16을 만족할 때, 삼차방정식 x3−12x−t=0\displaystyle x^3-12x-t=0은 서로 다른 세 실근을 가짐을 보이시오. (7점)

(3-2) (3-1)에서와 같이 −16<t<16\displaystyle -16<t<16일 때, 삼차방정식 x3−12x−t=0\displaystyle x^3-12x-t=0의 세 실근을 크기 순서대로 각각 f1(t)<f2(t)<f3(t)\displaystyle f_1(t)<f_2(t)<f_3(t)라고 두면, t\displaystyle t의 함수 f1(t),f2(t),f3(t)\displaystyle f_1(t),f_2(t),f_3(t)는 모두 미분가능하다. 이때 1f1′(t)+1f2′(t)+1f3′(t)\displaystyle \frac1{f_1^{\prime}(t)}+\frac1{f_2^{\prime}(t)}+\frac1{f_3^{\prime}(t)}를 간단히 하시오. (10점)

(3-3) 실수 전체에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 우함수이고 미분가능하며 x>0\displaystyle x>0에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이고 또한 lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\infty라고 한다. 구간 x<0\displaystyle x<0과 x>0\displaystyle x>0에서의 f(x)\displaystyle f(x)의 부분역함수를 각각 g1(x),g2(x)\displaystyle g_1(x),g_2(x)라고 할 때, a>f(0)\displaystyle a>f(0)인 실수 a\displaystyle a에 대하여 g1(a)+g2(a)\displaystyle g_1(a)+g_2(a)와 g1′(a)+g2′(a)\displaystyle g_1^{\prime}(a)+g_2^{\prime}(a)의 값을 구하시오. (8점)

해설강의 준비중
7 · (3-1)

(3-1) 삼차함수 f(x)=x3−12x\displaystyle f(x)=x^3-12x를 미분하면 f′(x)=3(x+2)(x−2)\displaystyle f^{\prime}(x)=3(x+2)(x-2)이고 따라서 x=−2\displaystyle x=-2일 때 극댓값 16\displaystyle 16, x=2\displaystyle x=2일 때 극솟값 −16\displaystyle -16을 가진다. 그러므로 −16<t<16\displaystyle -16<t<16인 t\displaystyle t에 대하여 방정식f(x)=x3−12x=t\displaystyle f(x)=x^3-12x=t는 구간 x<−2, −2<x<2, x>2\displaystyle x<-2,\ -2<x<2,\ x>2에서 각각 한 개의 실근을 가진다.

10 · (3-2)

(3-2) (3-1)의 풀이에서와 같이 f(x)=x3−12x\displaystyle f(x)=x^3-12x라고 두자. 변수 t\displaystyle t에 대한 함수 f1(t),f2(t),f3(t)\displaystyle f_1(t),f_2(t),f_3(t)는 각각 구간 α<x<−2, −2<x<2, 2<x<β\displaystyle \alpha<x<-2,\ -2<x<2,\ 2<x<\beta에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 부분역함수라고 볼 수 있다. 여기서 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta는 α<−2, β>2, f(α)=−16, f(β)=16\displaystyle \alpha<-2,\ \beta>2,\ f(\alpha)=-16,\ f(\beta)=16을 만족하는 실수이다. 편의상 x1=f1(t), x2=f2(t), x3=f3(t)\displaystyle x_1=f_1(t),\ x_2=f_2(t),\ x_3=f_3(t)라 두면 x1,x2,x3\displaystyle x_1,x_2,x_3은 삼차방정식 x3−12x−t=0\displaystyle x^3-12x-t=0의 세 근이 된다. 근과 계수와의 관계에서x1+x2+x3=0, x1x2+x2x3+x3x1=−12, x1x2x3=t\displaystyle x_1+x_2+x_3=0,\ x_1x_2+x_2x_3+x_3x_1=-12,\ x_1x_2x_3=t이다. 역함수미분법을 이용하여 문제의 식을 정리하면1f1′(t)+1f2′(t)+1f3′(t)=f′(x1)+f′(x2)+f′(x3)=3x12−12+3x22−12+3x32−12=3(x12+x22+x32)−36=3(x1+x2+x3)2−6(x1x2+x2x3+x1x3)−36=−6(−12)−36=36\displaystyle \begin{aligned}\frac1{f_1^{\prime}(t)}+\frac1{f_2^{\prime}(t)}+\frac1{f_3^{\prime}(t)}&=f^{\prime}(x_1)+f^{\prime}(x_2)+f^{\prime}(x_3)\\&=3x_1^2-12+3x_2^2-12+3x_3^2-12\\&=3(x_1^2+x_2^2+x_3^2)-36\\&=3(x_1+x_2+x_3)^2-6(x_1x_2+x_2x_3+x_1x_3)-36\\&=-6(-12)-36=36\end{aligned}이다.

8 · (3-3)

(3-3) 편의상 g1(x)<0<g2(x)\displaystyle g_1(x)<0<g_2(x)라고 하자. 이 두 함수들은 모두 f(0)\displaystyle f(0)보다 큰 모든 실수들에서 정의되어 있다. 실수 a\displaystyle a가 부등식 a>f(0)\displaystyle a>f(0)을 만족한다고 하자. 이때 x0=g1(a)\displaystyle x_0=g_1(a)라 두면 f(x0)=f(−x0)=a\displaystyle f(x_0)=f(-x_0)=a이다. 따라서 g2(a)=−x0\displaystyle g_2(a)=-x_0이고 g1(a)+g2(a)=0\displaystyle g_1(a)+g_2(a)=0이다. 또한 합성함수의 미분에 의해f′(−x0)=−f′(x0)\displaystyle f^{\prime}(-x_0)=-f^{\prime}(x_0)이다. 이제 문제의 두 번째 식의 값은g1′(a)+g2′(a)=1f′(x0)+1f′(−x0)=0\displaystyle g_1^{\prime}(a)+g_2^{\prime}(a)=\frac1{f^{\prime}(x_0)}+\frac1{f^{\prime}(-x_0)}=0이다.

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