수리논술, 이게 다다.

의·약학계 1번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (60점)

[가] 함수의 몫의 미분법함수 f(x) (f(x)≠0)\displaystyle f(x)\ (f(x)\ne0)가 미분가능할 때 {1f(x)}′=−f′(x)f(x)2\displaystyle \left\{\frac1{f(x)}\right\}^{\prime}=-\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)^2}

[나] 함수의 증가와 감소함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린구간에서 미분가능할 때 그 열린구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 열린구간에서 증가한다.(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 열린구간에서 감소한다.

[다] 등비급수의 수렴과 발산등비급수 ∑n=1∞arn−1 (a≠0)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}ar^{n-1}\ (a\ne0)은(1) ∣r∣<1\displaystyle |r|<1일 때, 수렴하고 그 합은 a1−r\displaystyle \frac a{1-r}이다.(2) ∣r∣≥1\displaystyle |r|\ge1일 때, 발산한다.

[논제 Ⅰ] 양수 p,q\displaystyle p,q가 p2>4q, p−q<1, p<2\displaystyle p^2>4q,\ p-q<1,\ p<2를 만족할 때, 이차방정식 x2−px+q=0\displaystyle x^2-px+q=0의 두 근을 α,β\displaystyle \alpha,\beta라 하자. (단, α<β\displaystyle \alpha<\beta) 자연수 n\displaystyle n에 대해서, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 f(x)=αnx−α+βnx−β\displaystyle f(x)=\frac{\alpha^n}{x-\alpha}+\frac{\beta^n}{x-\beta}라 정의하자.

(1) f′′(x)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=0이 되는 x\displaystyle x의 값을 an\displaystyle a_n이라 하자. 이때 an\displaystyle a_n의 식을 구하여 구간 (α,β)\displaystyle (\alpha,\beta)에 존재함을 보이고, 극한값 lim⁡n→∞an\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n의 값을 계산하고, 그 근거를 논술하시오. (12점)

(2) 양수 k\displaystyle k에 대해서, f(x)>k\displaystyle f(x)>k를 만족하는 실수 x\displaystyle x의 구간들의 길이의 총합을 Ln\displaystyle L_n이라 하자. 이때 급수 ∑n=1∞Ln\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}L_n이 수렴함을 증명하고, 그 합을 p, q, k\displaystyle p,\ q,\ k에 관한 식으로 나타내고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

해설강의 준비중
+4점 · f′′(x)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=0이 되는 x\displaystyle x를 계산한다.

(1) p2>4q\displaystyle p^2>4q이므로, α,β\displaystyle \alpha,\beta는 서로 다른 실수이다. 한편, g(x)=x2−px+q\displaystyle g(x)=x^2-px+q라 하면, g(0)=q>0, g(1)=1−p+q>0\displaystyle g(0)=q>0,\ g(1)=1-p+q>0이고, 대칭축 x=p2\displaystyle x=\frac p2이 0과 1사이에 있기 때문에, 두 근인 α,β\displaystyle \alpha,\beta는 0<α<β<1\displaystyle 0<\alpha<\beta<1을 만족한다....(*)제시문 [가]를 이용하여 f(x)\displaystyle f(x)를 미분하여 계산하면f′(x)=−(αn(x−α)2+βn(x−β)2)\displaystyle f^{\prime}(x)=-\left(\frac{\alpha^n}{(x-\alpha)^2}+\frac{\beta^n}{(x-\beta)^2}\right)이고, f′′(x)=2(αn(x−α)3+βn(x−β)3)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=2\left(\frac{\alpha^n}{(x-\alpha)^3}+\frac{\beta^n}{(x-\beta)^3}\right)이 된다.그러면, (x−αβ−x)3=(αβ)n\displaystyle \left(\frac{x-\alpha}{\beta-x}\right)^3=\left(\frac\alpha\beta\right)^n이므로, x−αβ−x=(αβ)n/3\displaystyle \frac{x-\alpha}{\beta-x}=\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}이다.이 식을 풀면, an=α+β(αβ)n/31+(αβ)n/3\displaystyle a_n=\frac{\alpha+\beta\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}{1+\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}이 된다.

+4점 · α<an<β\displaystyle \alpha<a_n<\beta를 설명한다.

여기에서 (*)에 의해 0<αβ<1\displaystyle 0<\frac\alpha\beta<1이다.따라서, an−α=α+β(αβ)n/31+(αβ)n/3−α=(β−α)(αβ)n/31+(αβ)n/3>0\displaystyle a_n-\alpha=\frac{\alpha+\beta\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}{1+\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}-\alpha=\frac{(\beta-\alpha)\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}{1+\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}>0이므로, an>α\displaystyle a_n>\alpha이다.또한, an−β=α+β(αβ)n/31+(αβ)n/3−β=α−β1+(αβ)n/3<0\displaystyle a_n-\beta=\frac{\alpha+\beta\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}{1+\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}-\beta=\frac{\alpha-\beta}{1+\left(\frac\alpha\beta\right)^{n/3}}<0이므로, an<β\displaystyle a_n<\beta이다.따라서, an\displaystyle a_n은 구간 (α,β)\displaystyle (\alpha,\beta)에 존재한다.

+4점 · 극한값을 계산한다.

그리고, (*)에 의해 0<αβ<1\displaystyle 0<\frac\alpha\beta<1이므로, lim⁡n→∞(αβ)n=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac\alpha\beta\right)^n=0이 되어, lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\alpha가 된다.

+5점 · y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 연속인 구간에서 감소임을 설명한다.

(2) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 x≠α, x≠β\displaystyle x\ne\alpha,\ x\ne\beta인 모든 x\displaystyle x에 대하여 연속이다.또한, 0<α<β<1\displaystyle 0<\alpha<\beta<1이므로, f′(x)=−(αn(x−α)2+βn(x−β)2)<0\displaystyle f^{\prime}(x)=-\left(\frac{\alpha^n}{(x-\alpha)^2}+\frac{\beta^n}{(x-\beta)^2}\right)<0가 되어, 제시문 [나]에 의해 모든 구간에서 감소이다. 그리고, lim⁡x→+∞f(x)=0, lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to+\infty}f(x)=0,\ \lim_{x\to-\infty}f(x)=0이므로, x\displaystyle x축이 점근선이 되고, 분모가 0이 되는 x=α, x=β\displaystyle x=\alpha,\ x=\beta도 점근선이 된다.

두 수직 점근선 α, β를 갖는 함수 f의 그래프
+5점 · f(x)>k\displaystyle f(x)>k인 구간의 길이의 합을 계산한다.

위 그림을 보면 구간 (−∞,α)\displaystyle (-\infty,\alpha)에서는 f(x)<0\displaystyle f(x)<0이므로, y=k\displaystyle y=k와 만나지 않는다. 따라서, y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=k\displaystyle y=k는 구간 (α,β)\displaystyle (\alpha,\beta)와 구간 (β,∞)\displaystyle (\beta,\infty)에서 각각 한 번만 만난다. 이때, 두 교점의 x\displaystyle x좌표를 각각 a, b\displaystyle a,\ b라 하자.

직선 y=k와 함수 f의 두 교점 a, b

그러면, f(x)>k\displaystyle f(x)>k를 만족하는 구간은 α<x<a, β<x<b\displaystyle \alpha<x<a,\ \beta<x<b가 된다. 따라서,Ln=(a−α)+(b−β)=(a+b)−(α+β)\displaystyle L_n=(a-\alpha)+(b-\beta)=(a+b)-(\alpha+\beta)이다. 여기에서, a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 αn(x−β)+βn(x−α)=k(x−α)(x−β)\displaystyle \alpha^n(x-\beta)+\beta^n(x-\alpha)=k(x-\alpha)(x-\beta)의 두 근이 된다. 이 식을 정리하면,kx2−{k(α+β)+αn+βn}x+kαβ+αnβ+αβn=0\displaystyle kx^2-\{k(\alpha+\beta)+\alpha^n+\beta^n\}x+k\alpha\beta+\alpha^n\beta+\alpha\beta^n=0이므로, 이차방정식의 근과 계수의 관계를 이용하면,a+b=k(α+β)+αn+βnk=α+β+αn+βnk\displaystyle a+b=\frac{k(\alpha+\beta)+\alpha^n+\beta^n}k=\alpha+\beta+\frac{\alpha^n+\beta^n}k이다. 따라서, Ln=(a+b)−(α+β)=αn+βnk\displaystyle L_n=(a+b)-(\alpha+\beta)=\frac{\alpha^n+\beta^n}k이다.

+5점 · 무한등비급수의 합을 계산한다.

여기에서, 0<α<β<1\displaystyle 0<\alpha<\beta<1이므로, 제시문 [다]에 의해 급수 ∑n=1∞Ln\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}L_n은 수렴하고, 합은∑n=1∞Ln=1k(α1−α+β1−β)=α+β−2αβk(1−α)(1−β)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}L_n=\frac1k\left(\frac\alpha{1-\alpha}+\frac\beta{1-\beta}\right)=\frac{\alpha+\beta-2\alpha\beta}{k(1-\alpha)(1-\beta)}이다. α+β=p, αβ=q\displaystyle \alpha+\beta=p,\ \alpha\beta=q이므로, ∑n=1∞Ln=p−2qk(1−p+q)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}L_n=\frac{p-2q}{k(1-p+q)}가 된다.

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