수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문항 2] 다음 제시문을 근거로 하여 아래 논제에 답하시오.

(가) 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 속하는 x1,x2\displaystyle x_1,x_2가x1<x2\displaystyle x_1<x_2이면 f(x1)>f(x2)\displaystyle f(x_1)>f(x_2)일 때,함수 f\displaystyle f는 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 감소함수라고 한다.

(나) 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능한 함수 f\displaystyle f가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여, f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 함수 f\displaystyle f는 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 감소함수이다.

(다) [중간값 정리] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고, f(a)≠f(b)\displaystyle f(a)\ne f(b)이면 f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)사이의 임의의 값 k\displaystyle k에 대하여 f(c)=k\displaystyle f(c)=k인 점 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)안에 적어도 한 개 이상 존재한다.

함수 f(x)=ex(1−x)\displaystyle f(x)=e^x(1-x)에 대하여,

2-1. f(x)=ex(1−x)\displaystyle f(x)=e^x(1-x)는 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 감소함수임을 증명하시오. (7점)

2-2. 실수 0<t<1\displaystyle 0<t<1에 대하여, f(at)=t\displaystyle f(a_t)=t가 되는 at\displaystyle a_t가 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)사이에 유일하게 존재함을 증명하시오. (8점)

2-3. 실수 0<t<1\displaystyle 0<t<1에 대하여, 다음 부등식∫0at1(1−x)2dx≤12t2(e2−1)\displaystyle \int_0^{a_t}\frac1{(1-x)^2}dx\le\frac1{2t^2}(e^2-1)을 증명하시오. (20점)

해설강의 준비중
+7점 · 감소함수의 정의

2-1.함수 f(x)=ex(1−x)\displaystyle f(x)=e^x(1-x)는 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 미분 가능한 함수이고f′(x)=−xex<0\displaystyle f^{\prime}(x)=-xe^x<0이므로 ((나)에 의하면) 함수 f\displaystyle f는 감소함수이다.

+8점 · 중간값 정리의 이해 및 적용

2-2.[존재성] f(0)=1\displaystyle f(0)=1, f(1)=0\displaystyle f(1)=0이므로 실수 t\displaystyle t는 f(0)\displaystyle f(0)와 f(1)\displaystyle f(1)사이에 있다.함수 f\displaystyle f는 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속함수이므로 (다) 중간값 정리에 의하여 f(at)=t\displaystyle f(a_t)=t인 at\displaystyle a_t가 구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에 존재한다.[유일성] at\displaystyle a_t가 유일함을 보이자(모범답안으로 세 가지 방법을 제시한다).f(at)=f(bt)=t\displaystyle f(a_t)=f(b_t)=t인 서로 다른 at\displaystyle a_t와 bt\displaystyle b_t가 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에 존재한다고 가정하자.[방법1]함수 f\displaystyle f가 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 감소함수이므로 일대일대응이다.따라서 at,bt\displaystyle a_t,b_t가 서로 다르면 f(at)\displaystyle f(a_t)와 f(bt)\displaystyle f(b_t)도 서로 달라야한다.이것은 f(at)=f(bt)=t\displaystyle f(a_t)=f(b_t)=t에 모순이다.(혹은 f(at)=f(bt)⇒at=bt\displaystyle f(a_t)=f(b_t)\Rightarrow a_t=b_t 이것은 서로 다른 at\displaystyle a_t와 bt\displaystyle b_t라는 것에 모순이다.)[방법2]at≠bt⇒at<bt\displaystyle a_t\ne b_t\Rightarrow a_t<b_t 또는 bt<at\displaystyle b_t<a_t⇒f(bt)<f(at)\displaystyle \Rightarrow f(b_t)<f(a_t) 또는 f(at)<f(bt)\displaystyle f(a_t)<f(b_t) (∵f\displaystyle \because f는 감소함수)이것은 f(at)=f(bt)=t\displaystyle f(a_t)=f(b_t)=t에 모순이다.[방법3]평균값정리에 의하면0=f(bt)−f(at)=f′(c)(bt−at)≠0\displaystyle 0=f(b_t)-f(a_t)=f^{\prime}(c)(b_t-a_t)\ne0 (∵f′(c)<0\displaystyle \because f^{\prime}(c)<0)인 점 c\displaystyle c가 at\displaystyle a_t와 bt\displaystyle b_t사이에 존재한다. 이것은 f(at)=f(bt)=t\displaystyle f(a_t)=f(b_t)=t에 모순이다.

+20점 · 역함수와 부등식 이해 및 적용

2-3.함수 f\displaystyle f가 감소함수이므로 0≤x≤at  ⇒  t=f(at)≤f(x)\displaystyle 0\le x\le a_t\;\Rightarrow\;t=f(a_t)\le f(x) (∵f\displaystyle \because f: 감소함수)⇒f(x)t≥1⇒ex(1−x)t≥1\displaystyle \begin{aligned}&\Rightarrow\frac{f(x)}t\ge1\\&\Rightarrow\frac{e^x(1-x)}t\ge1\end{aligned}이다.

그러므로∫0at1(1−x)2dx≤∫0at1(1−x)2(ex(1−x)t)2dx(∵ex(1−x)t≥1,  0≤x≤at)=1t2∫0ate2xdx≤1t2∫01e2xdx(∵at≤1)=12t2(e2−1)\displaystyle \begin{aligned}&\int_0^{a_t}\frac1{(1-x)^2}dx\\&\le\int_0^{a_t}\frac1{(1-x)^2}\left(\frac{e^x(1-x)}t\right)^2dx\quad\left(\because\frac{e^x(1-x)}t\ge1,\;0\le x\le a_t\right)\\&=\frac1{t^2}\int_0^{a_t}e^{2x}dx\\&\le\frac1{t^2}\int_0^1e^{2x}dx\quad(\because a_t\le1)\\&=\frac1{2t^2}(e^2-1)\end{aligned}

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