수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[가] 수학적 귀납법은 어떤 주장이 모든 자연수에 대해 성립함을 증명하기 위해 사용되는 방법이다. 우선 첫 번째 명제가 참임을 증명하고, 그 다음에는 명제들 중에서 어떤 하나가 참이면 언제나 그 다음 명제도 참임을 증명하는 방법으로 이루어진다. 수학적 귀납법은 도미노 게임에 비유될 수 있다. 잘 배열된 막대들은 다음 두 가지 사실을 만족하면 모두 무너뜨릴 수 있다. 첫째, 처음의 막대가 넘어지고, 둘째, 한 막대기가 넘어지면 다음의 막대도 반드시 넘어진다.

[나] 뉴턴(Newton)과 라이프니쯔(Leibniz)가 독립적으로 체계화한 미분은 현대 과학 기술 발달의 중요한 기틀 중 하나이다. 미분의 과학과 공학에서의 활용에는 함수를 한 번 미분한 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime} \left( x \right)뿐만 아니라 두 번 이상의 미분, 즉 고차도함수도 필요하다. 도함수의 도함수인 f′′(x)=(f′(x))′\displaystyle f^{\prime \prime} \left( x \right) = \left( f^{\prime} \left( x \right) \right)^{\prime}를 이계도함수라 부르고, 이계도함수의 도함수 f′′′(x)=(f′′(x))′\displaystyle f^{\prime \prime \prime} \left( x \right) = \left( f^{\prime \prime} \left( x \right) \right)^{\prime}는 f(3)(x)\displaystyle f^{\left( 3 \right)} \left( x \right)라 표기한다. 이와 같은 방법으로 f(n)(x)\displaystyle f^{\left( n \right)} \left( x \right)를 정의할 수 있고 이것을 함수 f(x)\displaystyle f \left( x \right)의 n\displaystyle n계 도함수라 한다. 미분을 정의하는데 극한을 사용하지만, 미분은 로피탈(L'Hospital) 정리를 이용하면 극한을 구하는데 도움을 줄 수 있다. 로피탈(L'Hospital) 정리는 00\displaystyle \frac{{0}}{0} 또는 ∞∞\displaystyle \frac{{\infty}}{\infty}형의 부정형을 갖는 f(x)g(x)\displaystyle \frac{{f \left( x \right)}}{g \left( x \right)}모양의 함수의 극한을 구할 때 유용하며, 구체적으로,“a\displaystyle a의 근방에서 f\displaystyle f와 g\displaystyle g가 미분가능하고 g′(x)≠0\displaystyle g^{\prime} \left( x \right) \ne 0일 때, lim⁡x→af(x)=0,  lim⁡x→ag(x)=0\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=0,\;\lim_{x\to a}g(x)=0이거나, 또는 lim⁡x→af(x)=∞,  lim⁡x→ag(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=\infty,\;\lim_{x\to a}g(x)=\infty이고, 극한값 lim⁡x→af′(x)g′(x)\displaystyle \lim_{x \to a} {\frac{{f^{\prime} \left( x \right)}}{g^{\prime} \left( x \right)}}이 존재하면, lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x)\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f^{\prime}(x)}{g^{\prime}(x)}이 성립한다.” 는 것이다. 로피탈이 1696년에 익명으로 출판한 책에는 “00\displaystyle \frac{{0}}{0}의 법칙”으로 이 정리가 소개되는데, 이 정리는 요한 베르누이에 의하여 발견되었다.

<논제 I> 제시문 [가] 와 [나] 를 참조하여 다음 질문에 답하시오. (30점)

정의역의 구간에 따라 다양한 함숫값을 가지는 미분가능한 함수를 구성하는 것은 매우 흥미롭고 특히 이와 같은 함수를 이용하여 주어진 함수보다 미분가능한 범위가 확장된 새로운 함수를 생각할 수 있다는 사실이 알려져 있다. 이와 관련하여 다음과 같이 주어진 함수 f:R→R\displaystyle f : R \to R을 생각해 보자 (단, R\displaystyle R은 실수 전체의 집합이다)

f(x)={0x≤0e−1/xx>0\displaystyle f(x)=\begin{cases}0&x\le0\\e^{-1/x}&x>0\end{cases}

(1) 점 x=0\displaystyle x = 0에서 함수 f(x)\displaystyle f \left( x \right)의 미분가능성을 미분계수의 정의를 이용하여 조사하고 그 근거를 서술하시오.

(2) 수학적 귀납법을 이용하여 함수 f(x)\displaystyle f \left( x \right)의 n\displaystyle n계 도함수 f(n)(x)\displaystyle f^{\left( n \right)} \left( x \right)의 x=0\displaystyle x = 0에서의 값을 확인하고, 그 근거를 서술하시오.

(3) 위에서 정의한 함수 f(x)\displaystyle f \left( x \right)를 이용하여 새로운 함수 h:R→R\displaystyle h : R \to R를 h(x)=f(x)f(x)+f(1−x)\displaystyle h \left( x \right) = \frac{{f \left( x \right)}}{f \left( x \right) + f \left( 1 - x \right)}와 같이 정의할 때, 이 함수 h(x)\displaystyle h \left( x \right)는 R\displaystyle R에서 미분가능하고, x∈R\displaystyle x \in R에서는 0≤h(x)≤1\displaystyle 0 \leq h \left( x \right) \leq 1이며, x≤0\displaystyle x \leq 0에서는 h(x)=0\displaystyle h \left( x \right) = 0이고, x≥1\displaystyle x \geq 1에서는 h(x)=1\displaystyle h \left( x \right) = 1이 됨을 확인하고 그 근거를 서술하시오.

(4) 위에서 정의한 함수 h(x)\displaystyle h \left( x \right)를 이용하여 새로운 함수 g:R→R\displaystyle g : R \to R를 g(x)=h(x+aa−b)h(−x+aa−b)\displaystyle g \left( x \right) = h \left( \frac{{x + a}}{a - b} \right) h \left( \frac{{- x + a}}{a - b} \right)와 같이 정의할 때 (단, a>b>0\displaystyle a > b > 0), 이 함수 g(x)\displaystyle g \left( x \right)의 미분가능성을 확인하고 그 근거를 서술하시오. 그리고 g(x)\displaystyle g \left( x \right)의 함숫값이 0이 되는 구간과 1이 되는 구간에 대하여 조사하시오. 그리고 함수 g(x)\displaystyle g \left( x \right)의 그래프를 간단히 보이시오.

해설강의 준비중

1. 상수함수와 지수함수는 R\displaystyle R 전체에서 미분가능하므로 x≠0\displaystyle x\ne0 에서 f\displaystyle f가 미분가능임을 알 수 있다. 따라서 x=0\displaystyle x=0 에서 미분가능임을 밝혀야 한다.

f′(0)=lim⁡t→0f(t)−f(0)t=lim⁡t→0f(t)t\displaystyle f^{\prime}(0)=\lim_{t\to0}\frac{f(t)-f(0)}t=\lim_{t\to0}\frac{f(t)}t

에서 주어진 조건으로부터

lim⁡t→−0f(t)t=lim⁡t→0−0t=0,\displaystyle \lim_{t\to-0}\frac{f(t)}t=\lim_{t\to0^-}\frac0t=0,

lim⁡t→+0f(t)t=lim⁡t→+0e−1/tt=lim⁡t→+01/te1/t=lim⁡s→∞1es=0\displaystyle \lim_{t\to+0}\frac{f(t)}t=\lim_{t\to+0}\frac{e^{-1/t}}t=\lim_{t\to+0}\frac{1/t}{e^{1/t}}=\lim_{s\to\infty}\frac1{e^s}=0

이다. 따라서 f′(0)\displaystyle f^{\prime}(0) 이 존재하고 f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0이며. f(x)\displaystyle f(x)는 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능이다.

2. 수학적 귀납법을 사용하자.

먼저 f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0 이므로 f\displaystyle f 의 n−1\displaystyle n-1 계 도함수 f(n−1)(x)\displaystyle f^{(n-1)}(x)가 f(n−1)(0)=0\displaystyle f^{(n-1)}(0)=0 이라 가정하자. 다음으로

f(n)(0)=lim⁡t→0f(n−1)(t)−f(n−1)(0)t=lim⁡t→0f(n−1)(t)t\displaystyle f^{(n)}(0)=\lim_{t\to0}\frac{f^{(n-1)}(t)-f^{(n-1)}(0)}t=\lim_{t\to0}\frac{f^{(n-1)}(t)}t

를 구하는 계산에 있어, t<0\displaystyle t<0 일 때는 f(n−1)(t)=0\displaystyle f^{(n-1)}(t)=0 이므로 lim⁡t→−0f(n−1)(t)t=lim⁡t→−00t=0\displaystyle \lim_{t\to-0}\frac{f^{(n-1)}(t)}t=\lim_{t\to-0}\frac0t=0 이다. 다음으로 t>0\displaystyle t>0 일 때

f′(t)=1t2e−1/t,\displaystyle f^{\prime}(t)=\frac1{t^2}e^{-1/t},

f′′(t)=(−2t3+1t4)e−1/t,\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=\left(-\frac2{t^3}+\frac1{t^4}\right)e^{-1/t},

...

f(n−1)(t)=P(1t)e−1/t\displaystyle f^{(n-1)}(t)=P\left(\frac1t\right)e^{-1/t}, (P(t)\displaystyle P(t)는 t\displaystyle t의 다항식)

이 됨을 알 수 있다.

따라서 로피탈의 정리를 사용하면

lim⁡t→+0f(n−1)(t)t=lim⁡t→+0P(1/t)e−1/tt=lim⁡s→∞sP(s)es=0\displaystyle \lim_{t\to+0}\frac{f^{(n-1)}(t)}t=\lim_{t\to+0}\frac{P(1/t)e^{-1/t}}t=\lim_{s\to\infty}\frac{sP(s)}{e^s}=0

이 됨을 알수 있다. 따라서 f(n)(0)=0\displaystyle f^{(n)}(0)=0 이다.

3. f\displaystyle f 의 정의를 사용하면 함수 h\displaystyle h 의 분모는 0\displaystyle 0이 아니며, f\displaystyle f가 미분가능한 함수이므로 함수 h\displaystyle h가 미분가능임을 알 수 있다.

또한 f≥0\displaystyle f\ge0 이므로 0≤h(x)≤1\displaystyle 0\le h(x)\le1 이며,

x≤0\displaystyle x\le0 에서 f(x)=0\displaystyle f(x)=0 이므로 h(x)=0\displaystyle h(x)=0 이다.

그리고 x≥1\displaystyle x\ge1 에서는 f(1−x)=0\displaystyle f(1-x)=0 이므로 h(x)=1\displaystyle h(x)=1 이다.

또한 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1 에서 h′(x)≥0\displaystyle h^{\prime}(x)\ge0 이므로, h\displaystyle h 의 그래프는

함수 h의 그래프

4. 함수 h\displaystyle h 가 미분가능하고 미분가능한 함수의 곱은 미분가능하므로 함수 g\displaystyle g 는 미분가능하다. 그리고 ∣x∣≥a\displaystyle |x|\ge a 에서 g(x)=0\displaystyle g(x)=0 이 됨을 알수 있다. 또한 함수 h\displaystyle h 의 정의와 그래프 및 g\displaystyle g를 이용하면 ∣x∣≥b\displaystyle |x|\ge b 에서 g(x)=1\displaystyle g(x)=1 임을 알 수 있다. 따라서 함수 g\displaystyle g 의 그래프는Correction. g(x)=1\displaystyle g(x)=1인 구간을 적은 ∣x∣≥b\displaystyle |x|\ge b는 ∣x∣≤b\displaystyle |x|\le b의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

함수 g의 그래프

실제로 g\displaystyle g의 미분값을 조사해보면 구간 (−∞,−a)\displaystyle (-\infty,-a), (−b,b)\displaystyle (-b,b), (a,∞)\displaystyle (a,\infty)에서는 g\displaystyle g의 함숫값이 0\displaystyle 0 혹은 1\displaystyle 1이므로 이 구간들에서 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0이다. 구간 (−a,−b)\displaystyle (-a,-b)와 (b,a)\displaystyle (b,a)에서의 g\displaystyle g의 미분값을 조사하기 위해 g\displaystyle g를 미분하면

g′(x)=1a−b[h′(x+aa−b)h(−x+aa−b)−h(x+aa−b)h′(−x+aa−b)].\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{a-b}\left[h^{\prime}\left(\frac{x+a}{a-b}\right)h\left(\frac{-x+a}{a-b}\right)-h\left(\frac{x+a}{a-b}\right)h^{\prime}\left(\frac{-x+a}{a-b}\right)\right].

한편 구간 (−a,−b)\displaystyle (-a,-b)에서 0<x+aa−b<1\displaystyle 0<\frac{x+a}{a-b}<1이고 −x+aa−b>1\displaystyle \frac{-x+a}{a-b}>1임을 알 수 있고, 구간 (b,a)\displaystyle (b,a)에서는 x+aa−b>1\displaystyle \frac{x+a}{a-b}>1이고 0<−x+aa−b<1\displaystyle 0<\frac{-x+a}{a-b}<1이다. h\displaystyle h의 미분값을 조사해보면 구간 (−∞,0)\displaystyle (-\infty,0), (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 0\displaystyle 0이고 (0,1)\displaystyle (0,1)에서는 양수이다. 따라서 구간 (−a,−b)\displaystyle (-a,-b)에서

g′(x)=1a−bh′(x+aa−b)h(−x+aa−b)≥0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac1{a-b}h^{\prime}\left(\frac{x+a}{a-b}\right)h\left(\frac{-x+a}{a-b}\right)\ge0이고

구간 (b,a)\displaystyle (b,a)에서는

g′(x)=−1a−bh(x+aa−b)h′(−x+aa−b)≤0\displaystyle g^{\prime}(x)=-\frac1{a-b}h\left(\frac{x+a}{a-b}\right)h^{\prime}\left(\frac{-x+a}{a-b}\right)\le0임을 할 수 있다. 따라서 g\displaystyle g의 그래프는 위의 그림과 같이 (−a,−b)\displaystyle (-a,-b)에서 증가하고 (b,a)\displaystyle (b,a)에서 감소한다.

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