수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

(가) (사이값 정리) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)f(b)\displaystyle f(a)\ne f(b)이면 f(a)\displaystyle f(a)f(b)\displaystyle f(b) 사이의 임의의 값 k\displaystyle k에 대하여f(c)=k(a<c<b)\displaystyle f(c)=k\quad(a<c<b)c\displaystyle c가 적어도 하나 존재한다.

(나) 미분가능한 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)의 합성함수 f(g(x))\displaystyle f(g(x))의 도함수는ddxf(g(x))=f(g(x))g(x)\displaystyle \frac{d}{dx}f(g(x))=f^\prime(g(x))g^\prime(x)이다.

(*) 상수 a  (a>0)\displaystyle a\;(a>0)와 함수 f(x)=x2(x+a)\displaystyle f(x)=x^2(x+a)에 대하여 실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)g(1)>0\displaystyle g^\prime(-1)>0이고, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여f(g(x))=x2(x+3)2ex\displaystyle f(g(x))=x^2(x+3)^2e^x을 만족한다.

(2-1) 함수 y=x2(x+3)2ex\displaystyle y=x^2(x+3)^2e^x의 그래프의 개형을 그리시오. (단, 극대와 극소는 표시하되, 그래프의 오목과 볼록은 고려하지 않는다.)

(2-2) 상수 a\displaystyle a의 값을 구하시오.

(2-3) g(0)\displaystyle g(0)의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+2점 · 주어진 함수를 미분하여 y=exx(x+1)(x+3)(x+6)\displaystyle y^\prime=e^xx(x+1)(x+3)(x+6)를 얻으면

(3-1) y=exx(x+1)(x+3)(x+6)\displaystyle y^\prime=e^xx(x+1)(x+3)(x+6)이므로, 함수의 증감은 다음 표와 같다.

지수함수 곱의 증감표
+3점 · 도함수를 이용하여 함수의 증감을 판단하고 그래프의 개형을 그리면

따라서 그래프의 개형은 다음과 같다.

함수 x²(x+3)²eˣ의 그래프
+4점 · 합성함수 미분법을 이용하여 g(1)=0\displaystyle g(-1)=0 또는 g(1)=2a3\displaystyle g(-1)=-\frac{2a}3임을 얻으면

(3-2) 합성함수 미분법에 의해 f(g(1))g(1)=0\displaystyle f^\prime(g(-1))g^\prime(-1)=0이고 g(1)>0\displaystyle g^\prime(-1)>0이므로 f(g(1))=0\displaystyle f^\prime(g(-1))=0이다. 또한 f(x)=x(3x+2a)\displaystyle f^\prime(x)=x(3x+2a)이므로, g(1)=0\displaystyle g(-1)=0이거나 g(1)=2a3\displaystyle g(-1)=-\frac{2a}3이다.

+5점 · 함수의 성질로부터 g(1)0\displaystyle g(-1)\ne0임을 알고, g(1)=2a3\displaystyle g(-1)=-\frac{2a}3를 얻으면 +6점 · a=3e1/3\displaystyle a=3e^{-1/3}을 얻으면

하지만 f(g(1))=4e1\displaystyle f(g(-1))=4e^{-1}이므로 g(1)0\displaystyle g(-1)\ne0이다. 따라서 g(1)=2a3\displaystyle g(-1)=-\frac{2a}3이고 427a3=f(g(1))=4e1\displaystyle \frac4{27}a^3=f(g(-1))=4e^{-1}이므로, a=3e1/3\displaystyle a=3e^{-1/3}이다.

+5점 · x\displaystyle x가 충분히 크면 g(x)\displaystyle g(x)가 양수임을 알아내면

(3-3) ea(a+3)2>a\displaystyle e^a(a+3)^2>a이므로f(g(a))=eaa2(a+3)2>a3>4a327\displaystyle f(g(a))=e^aa^2(a+3)^2>a^3>\frac{4a^3}{27}이다. 함수 f\displaystyle f의 극댓값이 4a327\displaystyle \frac{4a^3}{27}이므로 g(a)\displaystyle g(a)는 유일하게 결정되고, g(a)>0\displaystyle g(a)>0이다.

+2점 · g(0)=0\displaystyle g(0)=0이거나 g(0)=a\displaystyle g(0)=-a임을 얻으면 +8점 · 사이값 정리를 적용하여 g(0)=0\displaystyle g(0)=0을 얻으면

또한 f(g(0))=0\displaystyle f(g(0))=0이므로 g(0)=0\displaystyle g(0)=0이거나 g(0)=a\displaystyle g(0)=-a이다. 만약 g(0)=a<0\displaystyle g(0)=-a<0이면 사이값정리에 의해 g(s)=0\displaystyle g(s)=0s\displaystyle s0\displaystyle 0a\displaystyle a 사이에 존재한다. 그러면 0=f(g(s))=ess2(s+3)2>0\displaystyle 0=f(g(s))=e^ss^2(s+3)^2>0이므로 모순이다. 따라서 g(0)=0\displaystyle g(0)=0이다.

<참고>

문제의 미분가능한 함수 g\displaystyle g는 존재한다. 함수 f1,f2,f3\displaystyle f_1,f_2,f_3를 다음과 같이 정의한다.f1(x)=x2(x+3e1/3)(x<2e1/3)f2(x)=x2(x+3e1/3)(2e1/3x<0)f3(x)=x2(x+3e1/3)(x0)\displaystyle \begin{aligned}f_1(x)&=x^2(x+3e^{-1/3})\quad(x<-2e^{-1/3})\\f_2(x)&=x^2(x+3e^{-1/3})\quad(-2e^{-1/3}\le x<0)\\f_3(x)&=x^2(x+3e^{-1/3})\quad(x\ge0)\end{aligned}

함수 h(x)=exx2(x+3)2\displaystyle h(x)=e^xx^2(x+3)^2에 대하여g(x)={f1(h(x))(x<1)f21(h(x))(1x<0)f31(h(x))(x0)\displaystyle g(x)=\begin{cases}f_1(h(x))&(x<-1)\\f_2^{-1}(h(x))&(-1\le x<0)\\f_3^{-1}(h(x))&(x\ge0)\end{cases}Correction. 참고의 첫 번째 식은 f1(h(x))\displaystyle f_1(h(x))가 아니라 역함수를 쓴 f11(h(x))\displaystyle f_1^{-1}(h(x))이어야 f(g(x))=h(x)\displaystyle f(g(x))=h(x)를 만족한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.로 두면 함수 g는 문제의 조건을 만족한다.

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