수리논술, 이게 다다.

의학계 1번

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문제

※ 모든 서술과정의 각 단계에서 근거와 이유를 명확히 밝히시오.

【문항 1】다음 제시문을 근거로 하여 아래 논제에 답하시오.

[제시문]

[가] 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 정의역 위의 점 a\displaystyle a에 대하여f′(a)\displaystyle f^{\prime} ( a ) =\displaystyle = lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\displaystyle \lim_{h \to 0} {}\frac{{f ( a + h ) - f ( a )}}{h} =\displaystyle = lim⁡x→af(x)−f(a)x−a\displaystyle \lim_{x \to a} {}\frac{{f ( x ) - f ( a )}}{x - a}가 존재할 때, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=a\displaystyle x = a에서 미분가능하다고 한다.

[나] 정의역의 모든 점에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 도함수는f′(x)=\displaystyle f^{\prime} ( x ) = lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\displaystyle \lim_{h \to 0} {}\frac{{f ( x + h ) - f ( x )}}{h}이다.

[다] 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\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 실수)일 때, α=β\displaystyle \alpha = \beta이고 a\displaystyle a에 가까운 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤h(x)≤g(x)\displaystyle f ( x ) \leq h ( x ) \leq g ( x )가 성립하면 lim⁡x→ah(x)=α\displaystyle \lim_{x \to a} {h ( x ) = \alpha}이다.

1-1. n\displaystyle n을 2 이상의 자연수라고 할 때, 실수 전체에서 정의된 함수f(x)={xnsin⁡1x2(x≠0)0(x=0)\displaystyle f \left( x \right) = {\begin{cases}x^{n} \sin \frac{{1}}{x^{2}} & \left( x \ne 0 \right) \\ 0 & \left( x = 0 \right)\end{cases}}가 x=0\displaystyle x = 0에서 미분가능한지 아니한지를 밝히시오. (10점)

※ 임의의 함수 g(x)\displaystyle g ( x )와 임의의 양수 a,b\displaystyle a , b에 대하여 두 부등식g(a)≤a\displaystyle g ( a ) \leq a, g(ab)≤g(a)+g(b)−1\displaystyle g ( a b ) \leq g ( a ) + g ( b ) - 1이 성립한다고 가정하였을 때, 다음 물음에 답하시오.

1-2. x>0,h>0\displaystyle x > 0 , h > 0일 때, 부등식 hx+h≤g(x+h)−g(x)≤hx\displaystyle \frac{{h}}{x + h} \leq g ( x + h ) - g ( x ) \leq \frac{{h}}{x}가 성립함을 보이시오. (15점)

1-3. g(x)\displaystyle g ( x )가 미분가능할 때, 논제1-2와 제시문 [나], [다]를 이용하여, x>0\displaystyle x > 0에서 도함수 g′(x)\displaystyle g^{\prime} ( x )를 구하시오. (10점)

해설강의 준비중
+10점 · 1-1

[1-1]제시문(가)에 의해 x=0\displaystyle x = 0에서 미분가능하기 위해서는 lim⁡x→0f(x)−f(0)x\displaystyle \lim_{x \to 0} {}\frac{{f ( x ) - f ( 0 )}}{x}의 값이 존재하여야 한다.lim⁡x→0f(x)−f(0)x=lim⁡x→0xnsin⁡1x2x=lim⁡x→0xn−1sin⁡1x2\displaystyle \lim_{x \to 0} {\frac{{f \left( x \right) - f \left( 0 \right)}}{x} = \lim_{x \to 0} {\frac{{x^{n} \sin \frac{{1}}{x^{2}}}}{x} = \lim_{x \to 0} {x^{n - 1} \sin \frac{{1}}{x^{2}}}}}이다. 여기서 −∣xn−1∣≤xn−1sin⁡1x2≤∣xn−1∣\displaystyle - \left| x^{n - 1} \right| \leq x^{n - 1} \sin \frac{{1}}{x^{2}} \leq \left| x^{n - 1} \right|이고, lim⁡x→0(−∣xn−1∣)=lim⁡x→0∣xn−1∣=0\displaystyle \lim_{x \to 0} {\left( - \left| x^{n - 1} \right| \right)} = \lim_{x \to 0} {\left| x^{n - 1} \right|} = 0 (∵n≥2)\displaystyle ( \because n \geq 2 )이므로, 제시문(다)에 의해서 lim⁡x→0xn−1sin⁡1x2=0\displaystyle \lim_{x \to 0} {x^{n - 1} \sin \frac{{1}}{x^{2}} = 0}이다. 따라서 f′(0)=0\displaystyle f^{\prime} \left( 0 \right) = 0으로 존재하므로, 함수 f(x)\displaystyle f \left( x \right)는 x=0\displaystyle x = 0에서 미분가능하다.

+15점 · 1-2

[1-2]a=x,ab=x+h\displaystyle a = x , a b = x + h라 두면 b=x+ha=x+hx\displaystyle b = \frac{{x + h}}{a} = \frac{{x + h}}{x}이고, a,b\displaystyle a , b는 양수이다. 이를 부등식 g(ab)≤g(a)+g(b)−1\displaystyle g ( a b ) \leq g ( a ) + g ( b ) - 1에 대입하면, g(x+h)≤g(x)+g(x+hx)−1\displaystyle g \left( {x + h} \right) \leq g ( x ) + g \left( \frac{{x + h}}{x} \right) - 1이다. 여기서 부등식 g(b)≤b\displaystyle g ( b ) \leq b에 의하여 g(x+hx)≤x+hx\displaystyle g \left( \frac{{x + h}}{x} \right) \leq \frac{{x + h}}{x}이므로, g(x+h)≤g(x)+x+hx−1=g(x)+hx\displaystyle g ( x + h ) \leq g ( x ) + \frac{{x + h}}{x} - 1 = g ( x ) + \frac{{h}}{x}이 성립한다. 즉, g(x+h)−g(x)≤hx\displaystyle g ( x + h ) - g ( x ) \leq \frac{{h}}{x}----①이 성립한다.또한, a=x+h,ab=x\displaystyle a = x + h , a b = x라 두면, b=xa=xx+h\displaystyle b = \frac{{x}}{a} = \frac{{x}}{x + h}이고, a,b\displaystyle a , b는 양수이다. 이를 부등식 g(ab)≤g(a)+g(b)−1\displaystyle g ( a b ) \leq g ( a ) + g ( b ) - 1에 대입하면, g(x)≤g(x+h)+g(xx+h)−1\displaystyle g \left( x \right) \leq g ( x + h ) + g \left( \frac{{x}}{x + h} \right) - 1이다. 여기서 부등식 g(b)≤b\displaystyle g ( b ) \leq b에 의하여 g(xx+h)≤xx+h\displaystyle g \left( \frac{{x}}{x + h} \right) \leq \frac{{x}}{x + h}이므로, 부등식 g(x)≤g(x+h)+xx+h−1=g(x+h)−hx+h\displaystyle g \left( x \right) \leq g ( x + h ) + \frac{{x}}{x + h} - 1 = g ( x + h ) - \frac{{h}}{x + h}이 성립한다. 즉, hx+h≤g(x+h)−g(x)\displaystyle \frac{{h}}{x + h} \leq g ( x + h ) - g ( x )------②이 성립한다.최종적으로 ①, ②에서 hx+h≤g(x+h)−g(x)≤hx\displaystyle \frac{{h}}{x + h} \leq g ( x + h ) - g ( x ) \leq \frac{{h}}{x}이다.

+10점 · 1-3

[1-3](i) h>0\displaystyle h > 0일 때, [5-2]의 결론에 의해 1x+h≤g(x+h)−g(x)h≤1x\displaystyle \frac{{1}}{x + h} \leq \frac{{g ( x + h ) - g ( x )}}{h} \leq \frac{{1}}{x}이고, 제시문(다)에 의해lim⁡h→0+g(x+h)−g(x)h=1x\displaystyle \lim_{h \to 0 +} {\frac{{g ( x + h ) - g ( x )}}{h} = \frac{{1}}{x}}이다.(ii) h<0\displaystyle h < 0일 때, ∣h∣\displaystyle \left| h \right|를 충분히 작게 하면 x+h>0\displaystyle x + h > 0이므로, [5-2]의 풀이과정과 같이 양수 a,b\displaystyle a , b를 택할 수 있고, [5-2]와 똑같은 결론 hx+h≤g(x+h)−g(x)≤hx\displaystyle \frac{{h}}{x + h} \leq g ( x + h ) - g ( x ) \leq \frac{{h}}{x}을 얻는다. 여기서 h\displaystyle h가 음수이므로, 양변을 h\displaystyle h로 나누면 1x+h≥g(x+h)−g(x)h≥1x\displaystyle \frac{{1}}{x + h} \geq \frac{{g ( x + h ) - g ( x )}}{h} \geq \frac{{1}}{x}를 얻는다. 그러면 제시문(다)에 의해 lim⁡h→0−g(x+h)−g(x)h=1x\displaystyle \lim_{h \to 0 -} {\frac{{g ( x + h ) - g ( x )}}{h} = \frac{{1}}{x}}이다.최종적으로 (i), (ii)와 제시문(나)에 의해서, g′(x)=lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h=1x\displaystyle g^{\prime} ( x ) = \lim_{h \to 0} {\frac{{g ( x + h ) - g ( x )}}{h} = \frac{{1}}{x}}이다.

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