(가)열린 구간 (a,b)에서 정의된 함수 f(x)의 그래프 위에 있는 임의의 두 점 P,Q에 대하여 P,Q 사이에 있는 그래프 부분이 선분 PQ보다 위쪽에 있으면 함수 f(x)의 그래프는 구간 (a,b)에서 위로 볼록하다고 한다.
(나)두 함수 f(x),g(x)에 대하여 x→alimf(x)=α, x→alimg(x)=β (α,β는 실수)이고, a를 포함하는 열린구간 내의 모든 x에서 f(x)≤g(x)이면 α≤β이다.
[문제] 다음 물음에 답하시오.
2-1. 열린 구간 (a,b)에서 함수 f(x)가 미분가능하고 함수 f(x)의 그래프가 위로 볼록하다고 할 때, 구간 (a,b)에 속하는 임의의 r,t(r<t)에 대하여 부등식f′(t)≤t−rf(t)−f(r)≤f′(r)가 성립함을 보이시오. (15점)
2-2. 구간 [1,∞)에서 연속이고 구간 (1,∞)에서 미분가능한 함수 f(x)의 그래프가 위로 볼록하고, 모든 x(x>1)에서 f′(x)>0라고 하자. 아래 <그림 1>과 같이 두 점 (k,f(k))와 (k+1,f(k+1))을 지나는 직선과 곡선 y=f(x) 사이의 영역의 넓이를 Sk라 하고, 아래 <그림 2>와 같이 세 점 A(1,f(1)), B(1,f(2)), C(2,f(2))를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이를 M이라 할 때, 모든 자연수 n에 대하여 k=1∑nSk<M가 성립함을 보이시오. (15점)
<그림1><그림2>
해설강의 준비중
부산대 2016학년도 수시 의학계 2번 · mathesis.kr/archive/pusan/2016su/uihak_2
+15점 · 볼록함수성질을 이용하여 부등식 증명하기
2-1.r<s<t라 하자. 함수 f(x)의 그래프가 위로 볼록하므로f(s)≥t−rt−sf(r)+t−rs−rf(t).이를 정리하면t−sf(t)−f(s)≤t−rf(t)−f(r)≤s−rf(s)−f(r).왼쪽 부등식에서 s→t−0, 오른쪽 부등식에서 s→r+0으로 보내면, 제시문 (나)에 의하여f′(t)≤t−rf(t)−f(r)≤f′(r).
+15점 · 볼록함수 성질을 이용하여 부등식 증명하기
2-2.dk=f(k+1)−f(k)라 하자. 평균값의 정리와 f′(x)>0에 의하여 모든 자연수 k에 대해 dk>0이다.k<x<k+1일 때, 2-1을 두 구간 [x,k+1], [k+1,k+2]에 적용하면k+1−xf(k+1)−f(x)≥f′(k+1)≥f(k+2)−f(k+1)=dk+1.따라서f(x)≤f(k+1)−dk+1(k+1−x).함수 f(x)가 연속이므로 이 부등식은 양 끝점에서도 성립한다.한편, 두 점 (k,f(k)), (k+1,f(k+1))을 지나는 직선의 식을 y=Lk(x)라 하면Lk(x)=f(k+1)−dk(k+1−x).함수 f(x)의 그래프가 위로 볼록하고 끝점에서 연속이므로, [k,k+1]에서0≤f(x)−Lk(x)≤(dk−dk+1)(k+1−x).양변을 적분하면Sk=∫kk+1(f(x)−Lk(x))dx≤2dk−dk+1.이를 k=1부터 n까지 더하면k=1∑nSk≤21k=1∑n(dk−dk+1)=2d1−dn+1<2d1.마지막 부등식은 dn+1>0이므로 성립한다. 삼각형 ABC의 넓이는M=21(f(2)−f(1))=2d1이므로k=1∑nSk<M.