수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

[문제 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. limx0(1+x)1x=e\displaystyle \lim_{x\to0}(1+x)^{\frac{1}{x}}=e

2. 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수 g(x)\displaystyle g(x)가 존재하고 미분가능할 때g(x)=1f(g(x))\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{1}{f^{\prime}(g(x))} (단, f(g(x))0\displaystyle f^{\prime}(g(x))\ne0)

3. 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능할 때,{f(x)g(x)}=f(x)g(x)+f(x)g(x)\displaystyle \{f(x)g(x)\}^{\prime}=f^{\prime}(x)g(x)+f(x)g^{\prime}(x)

[1] 극한값 limnnk=0nln(11(n+k)2)\displaystyle \lim_{n\to\infty}n\sum_{k=0}^{n}\ln\left(1-\frac{1}{(n+k)^2}\right)을 구하시오. [10점]

[2] 아래 조건을 만족시키는 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 모든 실수에서 미분가능하며 역함수 g(x)\displaystyle g(x)를 가진다.(나) 모든 실수 x\displaystyle x에서 g(x)=ln2xeg(x)+1\displaystyle g(x)=\ln\sqrt{2xe^{g(x)}+1}가 성립한다.

(1) 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 구하시오. [8점](2) 등식 limxln2f(2x)axln2=b\displaystyle \lim_{x\to\ln\sqrt{2}}\frac{f(2x)-a}{x-\ln\sqrt{2}}=b가 성립하도록 하는 상수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 a+b\displaystyle a+b의 값을 구하시오. [10점]

[3] 양의 실수에서 정의되는 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킬 때, 정적분 14f(t)dt\displaystyle \int_1^4 f(t)dt의 값을 구하시오. [10점]

(가) f(1)=1\displaystyle f(1)=1(나) e1x(12xf(x)f(x))=12x\displaystyle e^{1-\sqrt{x}}\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}f(x)-f^{\prime}(x)\right)=-\frac{1}{2\sqrt{x}}

[4] 아래 그림을 이용하여 다음 부등식을 증명하시오. (단, 점 O는 반원의 중심) [12점]

a+b2>ab>2aba+b(0<a<b)\displaystyle \frac{a+b}{2}>\sqrt{ab}>\frac{2ab}{a+b}\quad(0<a<b)

지름 AB 위의 C와 중심 O, 반원 위의 D와 E로 산술평균·기하평균·조화평균을 비교하는 그림
해설강의 준비중

산술·기하평균 부등식

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+4점 · limnln(n1n×2n+12n)n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\ln\left(\frac{n-1}{n}\times\frac{2n+1}{2n}\right)^n을 구하면

[1]limnnk=0nln(11(n+k)2)=limnn{ln(11n2)+ln(11(n+1)2)+ln(11(n+2)2)+ln(11(2n)2)}=limnnln{(n1)(n+1)n2×n(n+2)(n+1)2×(n+1)(n+3)(n+2)2××(2n1)(2n+1)(2n)2}=limnln(n1n×2n+12n)n=limnln[{1+(1n)}n×(1+12n)2n×12]\displaystyle \begin{aligned}&\lim_{n\to\infty}n\sum_{k=0}^{n}\ln\left(1-\frac{1}{(n+k)^2}\right)\\ &=\lim_{n\to\infty}n\left\{\ln\left(1-\frac{1}{n^2}\right)+\ln\left(1-\frac{1}{(n+1)^2}\right)+\ln\left(1-\frac{1}{(n+2)^2}\right)+\cdots\ln\left(1-\frac{1}{(2n)^2}\right)\right\}\\ &=\lim_{n\to\infty}n\ln\left\{\frac{(n-1)(n+1)}{n^2}\times\frac{n(n+2)}{(n+1)^2}\times\frac{(n+1)(n+3)}{(n+2)^2}\times\cdots\times\frac{(2n-1)(2n+1)}{(2n)^2}\right\}\\ &=\lim_{n\to\infty}\ln\left(\frac{n-1}{n}\times\frac{2n+1}{2n}\right)^n\\ &=\lim_{n\to\infty}\ln\left[\left\{1+\left(-\frac{1}{n}\right)\right\}^n\times\left(1+\frac{1}{2n}\right)^{2n\times\frac{1}{2}}\right]\end{aligned}

+4점 · limn(11n)n=1e\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1-\frac{1}{n}\right)^n=\frac{1}{e}, limn(1+12n)n=e12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{2n}\right)^n=e^{\frac{1}{2}}을 각각 구하면

1n=t\displaystyle -\frac{1}{n}=t라고 하면 limn(11n)n=limt0(1+t)1t×(1)=1e\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(1-\frac{1}{n}\right)^n=\lim_{t\to0}(1+t)^{\frac{1}{t}\times(-1)}=\frac{1}{e}이므로

+2점 · 극한값 12\displaystyle -\frac{1}{2}을 구하면

limnnk=0nln(11(n+k)2)=ln(e1×e12)=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}n\sum_{k=0}^{n}\ln\left(1-\frac{1}{(n+k)^2}\right)=\ln\left(e^{-1}\times e^{\frac{1}{2}}\right)=-\frac{1}{2}

+2점 · e2g(x)2xeg(x)1=0\displaystyle e^{2g(x)}-2xe^{g(x)}-1=0을 구하면

[2](1) 조건 (나)로부터12ln(2xeg(x)+1)=g(x)\displaystyle \frac{1}{2}\ln\left(2xe^{g(x)}+1\right)=g(x)이로부터 eg(x)\displaystyle e^{g(x)}에 관한 이차방정식을 얻고 이를 풀면e2g(x)2xeg(x)1=0\displaystyle e^{2g(x)}-2xe^{g(x)}-1=0

+4점 · eg(x)=x+x2+1\displaystyle e^{g(x)}=x+\sqrt{x^2+1}을 구하면

eg(x)=x+x2+1\displaystyle e^{g(x)}=x+\sqrt{x^2+1}

+2점 · g(x)=ln(x+x2+1)\displaystyle g(x)=\ln\left(x+\sqrt{x^2+1}\right)을 구하면

따라서g(x)=ln(x+x2+1)\displaystyle g(x)=\ln\left(x+\sqrt{x^2+1}\right)

+4점 · a=34\displaystyle a=\frac{3}{4}을 구하면

(2) limxln2f(2x)axln2=b\displaystyle \lim_{x\to\ln\sqrt{2}}\frac{f(2x)-a}{x-\ln\sqrt{2}}=b에서 극한값이 존재하고 limxln2(xln2)=0\displaystyle \lim_{x\to\ln\sqrt{2}}(x-\ln\sqrt{2})=0이므로limxln2{f(2x)a}=0\displaystyle \lim_{x\to\ln\sqrt{2}}\{f(2x)-a\}=0, 즉 f(2ln2)=f(ln2)=a\displaystyle f(2\ln\sqrt{2})=f(\ln2)=af(ln2)=ag(a)=ln2ln(a+a2+1)=ln2a2+1=2a\displaystyle f(\ln2)=a\Leftrightarrow g(a)=\ln2\Leftrightarrow\ln\left(a+\sqrt{a^2+1}\right)=\ln2\Leftrightarrow\sqrt{a^2+1}=2-a양변을 제곱하여 풀면a=34\displaystyle a=\frac{3}{4}

+2점 · b=2f(ln2)\displaystyle b=2f^{\prime}(\ln2)를 구하면 +4점 · b=52\displaystyle b=\frac{5}{2}를 구하면

함수 g\displaystyle g를 미분하면g(x)=1+xx2+1x+x2+1=1x2+1\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{1+\frac{x}{\sqrt{x^2+1}}}{x+\sqrt{x^2+1}}=\frac{1}{\sqrt{x^2+1}}제시문 2로부터b=2limxln2f(2x)342x2ln2=2f(ln2)=2g(f(ln2))=2g(34)=21(34)2+1=52\displaystyle b=2\lim_{x\to\ln\sqrt{2}}\frac{f(2x)-\frac{3}{4}}{2x-2\ln\sqrt{2}}=2f^{\prime}(\ln2)=\frac{2}{g^{\prime}(f(\ln2))}=\frac{2}{g^{\prime}\left(\frac{3}{4}\right)}=\frac{2}{\frac{1}{\sqrt{\left(\frac{3}{4}\right)^2+1}}}=\frac{5}{2}따라서a+b=34+52=134\displaystyle a+b=\frac{3}{4}+\frac{5}{2}=\frac{13}{4}

+4점 · ddx(e1xf(x))=12x\displaystyle \frac{d}{dx}\left(e^{1-\sqrt{x}}f(x)\right)=\frac{1}{2\sqrt{x}}을 구하면

[3]e1x(12xf(x)f(x))=e1x2xf(x)e1xf(x)=ddx(e1xf(x))=12x\displaystyle e^{1-\sqrt{x}}\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}f(x)-f^{\prime}(x)\right)=\frac{e^{1-\sqrt{x}}}{2\sqrt{x}}f(x)-e^{1-\sqrt{x}}f^{\prime}(x)=-\frac{d}{dx}\left(e^{1-\sqrt{x}}f(x)\right)=-\frac{1}{2\sqrt{x}}위 식을 적분하면e1xf(x)=x+C\displaystyle e^{1-\sqrt{x}}f(x)=\sqrt{x}+C

+2점 · f(x)=ex1x\displaystyle f(x)=e^{\sqrt{x}-1}\sqrt{x}를 구하면

조건(가)로부터 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이므로 C=0\displaystyle C=0이고 다음을 얻는다.f(x)=ex1x\displaystyle f(x)=e^{\sqrt{x}-1}\sqrt{x}

+4점 · 14f(x)dx=4e2\displaystyle \int_1^4 f(x)dx=4e-2를 구하면

x1=t\displaystyle \sqrt{x}-1=t라고 치환하고 부분적분법을 적용하면14f(x)dx=14ex1xdx=201et(t+1)2dt=2[et(t+1)2]01401et(t+1)dt=8e24[et(t+1)]01+4[et]01=4e2\displaystyle \begin{aligned}\int_1^4f(x)dx&=\int_1^4e^{\sqrt{x}-1}\sqrt{x}\,dx\\ &=2\int_0^1e^t(t+1)^2dt\\ &=2\Biggl[e^t(t+1)^2\Biggr]_0^1-4\int_0^1e^t(t+1)dt\\ &=8e-2-4\Biggl[e^t(t+1)\Biggr]_0^1+4\Biggl[e^t\Biggr]_0^1\\ &=4e-2\end{aligned}

+2점 · OD=a+b2\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}=\frac{a+b}{2}를 구하면

[4]OD\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}는 반원의 반지름이므로 OD=a+b2\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}=\frac{a+b}{2}

+4점 · CD=ab\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}=\sqrt{ab}를 구하면

직각삼각형 COD\displaystyle \mathrm{COD}에서 CO=ba2\displaystyle \overline{\mathrm{CO}}=\frac{b-a}{2}이므로 피타고라스 정리를 이용하면CD=OD2CO2=(a+b)24(ba)24=ab\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}=\sqrt{\overline{\mathrm{OD}}^2-\overline{\mathrm{CO}}^2}=\sqrt{\frac{(a+b)^2}{4}-\frac{(b-a)^2}{4}}=\sqrt{ab}

+4점 · EC=2aba+b\displaystyle \overline{\mathrm{EC}}=\frac{2ab}{a+b}를 구하면

직각삼각형 COD\displaystyle \mathrm{COD}와 직각삼각형 EDC\displaystyle \mathrm{EDC}에서 ECD=CDO\displaystyle \angle\mathrm{ECD}=\angle\mathrm{CDO}이고 COD=EDC(=ACE)\displaystyle \angle\mathrm{COD}=\angle\mathrm{EDC}\,(=\angle\mathrm{ACE})이므로 직각삼각형 COD\displaystyle \mathrm{COD}와 직각삼각형 EDC\displaystyle \mathrm{EDC}는 닮음이다.이로부터 다음 비례관계가 성립한다.EC:CD=CD:DO\displaystyle \overline{\mathrm{EC}}:\overline{\mathrm{CD}}=\overline{\mathrm{CD}}:\overline{\mathrm{DO}}EC=CD2DO=(ab)2a+b2=2aba+b\displaystyle \overline{\mathrm{EC}}=\frac{\overline{\mathrm{CD}}^2}{\overline{\mathrm{DO}}}=\frac{(\sqrt{ab})^2}{\frac{a+b}{2}}=\frac{2ab}{a+b}

+2점 · OD>CD>EC\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}>\overline{\mathrm{CD}}>\overline{\mathrm{EC}}로부터 a+b2>ab>2aba+b\displaystyle \frac{a+b}{2}>\sqrt{ab}>\frac{2ab}{a+b}을 구하면

OD>CD>EC\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}>\overline{\mathrm{CD}}>\overline{\mathrm{EC}}로부터 a+b2>ab>2aba+b\displaystyle \frac{a+b}{2}>\sqrt{ab}>\frac{2ab}{a+b}

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