경희대 2012학년도 모의 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2012mo/jayeon_1
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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)뿐만 아니라 두 번 이상의 미분, 즉 고차도함수도 필요하다. 도함수의 도함수인 f′′(x)=(f′(x))′를 이계도함수라 부르고, 이계도함수의 도함수 f′′′(x)=(f′′(x))′는 f(3)(x)라 표기한다. 이와 같은 방법으로 f(n)(x)를 정의할 수 있고 이것을 함수 f(x)의 n계 도함수라 한다. 미분을 정의하는데 극한을 사용하지만, 미분은 로피탈(L'Hospital) 정리를 이용하면 극한을 구하는데 도움을 줄 수 있다. 로피탈(L'Hospital) 정리는 00 또는 ∞∞형의 부정형을 갖는 g(x)f(x)모양의 함수의 극한을 구할 때 유용하며, 구체적으로,“a의 근방에서 f와 g가 미분가능하고 g′(x)=0일 때, x→alimf(x)=0,x→alimg(x)=0이거나, 또는 x→alimf(x)=∞,x→alimg(x)=∞이고, 극한값 x→alimg′(x)f′(x)이 존재하면, x→alimg(x)f(x)=x→alimg′(x)f′(x)이 성립한다.” 는 것이다. 로피탈이 1696년에 익명으로 출판한 책에는 “00의 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→R을 생각해 보자 (단, R은 실수 전체의 집합이다)
f(x)={0e−1/xx≤0x>0
(1)점 x=0에서 함수 f(x)의 미분가능성을 미분계수의 정의를 이용하여 조사하고 그 근거를 서술하시오.
(2)수학적 귀납법을 이용하여 함수 f(x)의 n계 도함수 f(n)(x)의 x=0에서의 값을 확인하고, 그 근거를 서술하시오.
(3)위에서 정의한 함수 f(x)를 이용하여 새로운 함수 h:R→R를 h(x)=f(x)+f(1−x)f(x)와 같이 정의할 때, 이 함수 h(x)는 R에서 미분가능하고, x∈R에서는 0≤h(x)≤1이며, x≤0에서는 h(x)=0이고, x≥1에서는 h(x)=1이 됨을 확인하고 그 근거를 서술하시오.
(4)위에서 정의한 함수 h(x)를 이용하여 새로운 함수 g:R→R를 g(x)=h(a−bx+a)h(a−b−x+a)와 같이 정의할 때 (단, a>b>0), 이 함수 g(x)의 미분가능성을 확인하고 그 근거를 서술하시오. 그리고 g(x)의 함숫값이 0이 되는 구간과 1이 되는 구간에 대하여 조사하시오. 그리고 함수 g(x)의 그래프를 간단히 보이시오.
해설강의 준비중
경희대 2012학년도 모의 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2012mo/jayeon_1
1. 상수함수와 지수함수는 R 전체에서 미분가능하므로 x=0 에서 f가 미분가능임을 알 수 있다. 따라서 x=0 에서 미분가능임을 밝혀야 한다.
3. f 의 정의를 사용하면 함수 h 의 분모는 0이 아니며, f가 미분가능한 함수이므로 함수 h가 미분가능임을 알 수 있다.
또한 f≥0 이므로 0≤h(x)≤1 이며,
x≤0 에서 f(x)=0 이므로 h(x)=0 이다.
그리고 x≥1 에서는 f(1−x)=0 이므로 h(x)=1 이다.
또한 0≤x≤1 에서 h′(x)≥0 이므로, h 의 그래프는
4. 함수 h 가 미분가능하고 미분가능한 함수의 곱은 미분가능하므로 함수 g 는 미분가능하다. 그리고 ∣x∣≥a 에서 g(x)=0 이 됨을 알수 있다. 또한 함수 h 의 정의와 그래프 및 g를 이용하면 ∣x∣≥b 에서 g(x)=1 임을 알 수 있다. 따라서 함수 g 의 그래프는Correction.g(x)=1인 구간을 적은 ∣x∣≥b는 ∣x∣≤b의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
실제로 g의 미분값을 조사해보면 구간 (−∞,−a), (−b,b), (a,∞)에서는 g의 함숫값이 0 혹은 1이므로 이 구간들에서 g′(x)=0이다. 구간 (−a,−b)와 (b,a)에서의 g의 미분값을 조사하기 위해 g를 미분하면
한편 구간 (−a,−b)에서 0<a−bx+a<1이고 a−b−x+a>1임을 알 수 있고, 구간 (b,a)에서는 a−bx+a>1이고 0<a−b−x+a<1이다. h의 미분값을 조사해보면 구간 (−∞,0), (1,∞)에서 0이고 (0,1)에서는 양수이다. 따라서 구간 (−a,−b)에서
g′(x)=a−b1h′(a−bx+a)h(a−b−x+a)≥0이고
구간 (b,a)에서는
g′(x)=−a−b1h(a−bx+a)h′(a−b−x+a)≤0임을 할 수 있다. 따라서 g의 그래프는 위의 그림과 같이 (−a,−b)에서 증가하고 (b,a)에서 감소한다.