수리논술, 이게 다다.

의학계 2번

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문제

【문항 2】

[제시문]

(가) 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프 위에 있는 임의의 두 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}에 대하여 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q} 사이에 있는 그래프 부분이 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}보다 위쪽에 있으면 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 위로 볼록하다고 한다.

(나) 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)에 대하여 lim⁡x→af(x)=α\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=\alpha, lim⁡x→ag(x)=β\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=\beta (α,β\displaystyle \alpha,\beta는 실수)이고, a\displaystyle a를 포함하는 열린구간 내의 모든 x\displaystyle x에서 f(x)≤g(x)\displaystyle f(x)\le g(x)이면 α≤β\displaystyle \alpha\le\beta이다.

[문제] 다음 물음에 답하시오.

2-1. 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하고 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프가 위로 볼록하다고 할 때, 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 속하는 임의의 r,t (r<t)\displaystyle r,t\ (r<t)에 대하여 부등식f′(t)≤f(t)−f(r)t−r≤f′(r)\displaystyle f^{\prime}(t)\le\frac{f(t)-f(r)}{t-r}\le f^{\prime}(r)가 성립함을 보이시오. (15점)

2-2. 구간 [1,∞)\displaystyle [1,\infty)에서 연속이고 구간 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프가 위로 볼록하고, 모든 x (x>1)\displaystyle x\ (x>1)에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0라고 하자. 아래 <그림 1>과 같이 두 점 (k,f(k))\displaystyle (k,f(k))와 (k+1,f(k+1))\displaystyle (k+1,f(k+1))을 지나는 직선과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 사이의 영역의 넓이를 Sk\displaystyle S_{k}라 하고, 아래 <그림 2>와 같이 세 점 A(1,f(1))\displaystyle \mathrm{A}(1,f(1)), B(1,f(2))\displaystyle \mathrm{B}(1,f(2)), C(2,f(2))\displaystyle \mathrm{C}(2,f(2))를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이를 M\displaystyle M이라 할 때, 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 ∑k=1nSk<M\displaystyle \sum_{k=1}^{n}S_{k}<M가 성립함을 보이시오. (15점)

구간 [k, k+1]에서 위로 볼록한 곡선 y = f(x)와, 두 점 (k, f(k))·(k+1, f(k+1))을 지나는 직선. 곡선과 직선 사이의 영역이 S_k로 칠해져 있다.
<그림1>
곡선 y = f(x) 위의 점 A(1, f(1)), C(2, f(2))와 점 B(1, f(2))로 이루어진 삼각형 ABC. 그 안팎으로 S_1, S_2 영역이 칠해져 있다.
<그림2>
해설강의 준비중
+15점 · 볼록함수성질을 이용하여 부등식 증명하기

2-1.r<s<t\displaystyle r<s<t라 하자. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프가 위로 볼록하므로f(s)≥t−st−rf(r)+s−rt−rf(t).\displaystyle f(s)\ge \frac{t-s}{t-r}f(r)+\frac{s-r}{t-r}f(t).이를 정리하면f(t)−f(s)t−s≤f(t)−f(r)t−r≤f(s)−f(r)s−r.\displaystyle \frac{f(t)-f(s)}{t-s} \le \frac{f(t)-f(r)}{t-r} \le \frac{f(s)-f(r)}{s-r}.왼쪽 부등식에서 s→t−0\displaystyle s\to t-0, 오른쪽 부등식에서 s→r+0\displaystyle s\to r+0으로 보내면, 제시문 (나)에 의하여f′(t)≤f(t)−f(r)t−r≤f′(r).\displaystyle f^{\prime}(t)\le \frac{f(t)-f(r)}{t-r}\le f^{\prime}(r).

+15점 · 볼록함수 성질을 이용하여 부등식 증명하기

2-2.dk=f(k+1)−f(k)\displaystyle d_k=f(k+1)-f(k)라 하자. 평균값의 정리와 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0에 의하여 모든 자연수 k\displaystyle k에 대해 dk>0\displaystyle d_k>0이다.k<x<k+1\displaystyle k<x<k+1일 때, 2-1을 두 구간 [x,k+1]\displaystyle [x,k+1], [k+1,k+2]\displaystyle [k+1,k+2]에 적용하면f(k+1)−f(x)k+1−x≥f′(k+1)≥f(k+2)−f(k+1)=dk+1.\displaystyle \frac{f(k+1)-f(x)}{k+1-x} \ge f^{\prime}(k+1) \ge f(k+2)-f(k+1)=d_{k+1}.따라서f(x)≤f(k+1)−dk+1(k+1−x).\displaystyle f(x)\le f(k+1)-d_{k+1}(k+1-x).함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이므로 이 부등식은 양 끝점에서도 성립한다.한편, 두 점 (k,f(k))\displaystyle (k,f(k)), (k+1,f(k+1))\displaystyle (k+1,f(k+1))을 지나는 직선의 식을 y=Lk(x)\displaystyle y=L_k(x)라 하면Lk(x)=f(k+1)−dk(k+1−x).\displaystyle L_k(x)=f(k+1)-d_k(k+1-x).함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프가 위로 볼록하고 끝점에서 연속이므로, [k,k+1]\displaystyle [k,k+1]에서0≤f(x)−Lk(x)≤(dk−dk+1)(k+1−x).\displaystyle 0\le f(x)-L_k(x) \le (d_k-d_{k+1})(k+1-x).양변을 적분하면Sk=∫kk+1(f(x)−Lk(x)) dx≤dk−dk+12.\displaystyle S_k=\int_k^{k+1}\bigl(f(x)-L_k(x)\bigr)\,dx \le \frac{d_k-d_{k+1}}2.이를 k=1\displaystyle k=1부터 n\displaystyle n까지 더하면∑k=1nSk≤12∑k=1n(dk−dk+1)=d1−dn+12<d12.\displaystyle \sum_{k=1}^{n}S_k \le \frac12\sum_{k=1}^{n}(d_k-d_{k+1}) =\frac{d_1-d_{n+1}}2 <\frac{d_1}2.마지막 부등식은 dn+1>0\displaystyle d_{n+1}>0이므로 성립한다. 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는M=12(f(2)−f(1))=d12\displaystyle M=\frac12\bigl(f(2)-f(1)\bigr)=\frac{d_1}2이므로∑k=1nSk<M.\displaystyle \boxed{\sum_{k=1}^{n}S_k<M}.

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