수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 3번

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문제

[문제 3] 함수 f(x)={x−ln⁡x,x>1x,x≤1\displaystyle f(x)=\begin{cases}x-\ln x,&x>1\\x,&x\le1\end{cases}에 대하여, x(1)=e\displaystyle x(1)=e인 이계도함수가 연속인 함수 x(t)\displaystyle x(t)는 모든 실수 t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}에 대하여 f(x(t))=(e−1)t−ln⁡t\displaystyle f(x(t))=(e-1)t-\ln t를 만족한다. 다음 물음에 각각 답하시오.

(3-1) t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}인 모든 t\displaystyle t에 대하여 x(t)>1\displaystyle x(t)>1임을 보이시오. (80점)

(3-2) x′(1)\displaystyle x\prime(1), x′′(1)\displaystyle x\prime\prime(1)의 값을 각각 구하시오. (80점)

(3-3) t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}인 모든 t\displaystyle t에 대하여 x′′(t)>0\displaystyle x\prime\prime(t)>0임을 보이시오. (80점)

해설강의 준비중

[문제 3]

+20점 · g′(t)=e−1−1t\displaystyle g\prime(t)=e-1-\frac1t를 구하면

(3-1) g(t)=(e−1)t−ln⁡t\displaystyle g(t)=(e-1)t-\ln t라 할 때, g′(t)=e−1−1t\displaystyle g\prime(t)=e-1-\frac1t이므로

+30점 · 최솟값 1+ln⁡(e−1)\displaystyle 1+\ln(e-1) (>1\displaystyle >1)를 구하면

g(t)\displaystyle g(t)는 t=1e−1\displaystyle t=\frac1{e-1}일 때 최솟값 1+ln⁡(e−1)\displaystyle 1+\ln(e-1) (>1\displaystyle >1)을 갖는다.

+30점 · x(t)>1\displaystyle x(t)>1를 논리적으로 설명하면

따라서 f(x(t))>1\displaystyle f(x(t))>1이고 x≤1\displaystyle x\le1에서 f(x)≤1\displaystyle f(x)\le1이므로 x(t)>1\displaystyle x(t)>1이다.

+20점 · 식 (*)를 구하면

(3-2) (3-1)에 의해 주어진 조건식은 아래 식 (1)과 같다.(e−1)t−ln⁡t=x(t)−ln⁡x(t)⋯(1)\displaystyle (e-1)t-\ln t=x(t)-\ln x(t)\quad\cdots(1)

+20점 · x′(1)=e2−2ee−1\displaystyle x\prime(1)=\frac{e^2-2e}{e-1}를 구하면

식 (1)을 미분하면 (e−1)−1t=x′(t)−x′(t)x(t)\displaystyle (e-1)-\frac1t=x\prime(t)-\frac{x\prime(t)}{x(t)}이고, t=1\displaystyle t=1을 대입하면x′(1)=e2−2ee−1\displaystyle x\prime(1)=\frac{e^2-2e}{e-1}이다.

+20점 · 식 (**)를 구하면

식 (1)을 두 번 미분하면 1t2=x′′(t)−x′′(t)x(t)−x′(t)2x(t)2\displaystyle \frac1{t^2}=x\prime\prime(t)-\frac{x\prime\prime(t)x(t)-x\prime(t)^2}{x(t)^2}이고,

+20점 · x′′(1)=2e2−3e(e−1)3\displaystyle x\prime\prime(1)=\frac{2e^2-3e}{(e-1)^3}를 구하면

t=1\displaystyle t=1을 대입하면 x′′(1)=2e2−3e(e−1)3\displaystyle x\prime\prime(1)=\frac{2e^2-3e}{(e-1)^3}이다.

+10점 · [단계 1]에서 x′(t)>0\displaystyle x\prime(t)>0을 보이면

(3-3) (단계 1) (3-2)에서 구한 식 e−1−1t=x′(t)−x′(t)x(t)=x′(t)(1−1x(t))\displaystyle e-1-\frac1t=x\prime(t)-\frac{x\prime(t)}{x(t)}=x\prime(t)\left(1-\frac1{x(t)}\right)에서 t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}이면 x′(t)>0\displaystyle x\prime(t)>0이다.

(단계 2) f(x(t))=(e−1)t−ln⁡t\displaystyle f(x(t))=(e-1)t-\ln t를 한 번 미분한 식과 두 번 미분한 식을 정리하면 각각 다음과 같다.

(e−1)−1t=x′(t)−x′(t)x(t)⋯(1)\displaystyle (e-1)-\frac1t=x\prime(t)-\frac{x\prime(t)}{x(t)}\quad\cdots(1)

1t2=x′′(t)−x′′(t)x(t)−x′(t)2x(t)2⋯(2)\displaystyle \frac1{t^2}=x\prime\prime(t)-\frac{x\prime\prime(t)x(t)-x\prime(t)^2}{x(t)^2}\quad\cdots(2)

+10점 · [단계 2]에서 1a=x′(a)x(a)\displaystyle \frac1a=\frac{x\prime(a)}{x(a)}임을 보이면

a>1e−1\displaystyle a>\frac1{e-1}인 a\displaystyle a에 대하여 x′′(a)=0\displaystyle x\prime\prime(a)=0이면, 식 (2)에서 1a2=(x′(a)x(a))2\displaystyle \frac1{a^2}=\left(\frac{x\prime(a)}{x(a)}\right)^2이고, x(a),x′(a)>0\displaystyle x(a),x\prime(a)>0이므로 1a=x′(a)x(a)\displaystyle \frac1a=\frac{x\prime(a)}{x(a)}이다.

+10점 · x(a)=(e−1)a\displaystyle x(a)=(e-1)a임을 보이면

또한 식 (1)에서 x′(a)=e−1\displaystyle x\prime(a)=e-1이고, 따라서 x(a)=(e−1)a\displaystyle x(a)=(e-1)a이다.

+20점 · a=(e−1)a\displaystyle a=(e-1)a가 되어 모순임을 보이면

이때, (e−1)t−ln⁡t=x(t)−ln⁡x(t)\displaystyle (e-1)t-\ln t=x(t)-\ln x(t)로부터,(e−1)a−ln⁡a=x(a)−ln⁡x(a)=(e−1)a−ln⁡(e−1)a\displaystyle (e-1)a-\ln a=x(a)-\ln x(a)=(e-1)a-\ln(e-1)a이므로 a=(e−1)a\displaystyle a=(e-1)a가 성립되어 모순이다. 따라서 t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}인 t\displaystyle t에 대하여 x′′(t)≠0\displaystyle x\prime\prime(t)\ne0이 성립한다.

+10점 · [단계 3]에서 x′′(1)=2e2−3e(e−1)3>0\displaystyle x\prime\prime(1)=\frac{2e^2-3e}{(e-1)^3}>0

(단계 3) (3-2)의 결과로부터 x′′(1)=2e2−3e(e−1)3>0\displaystyle x\prime\prime(1)=\frac{2e^2-3e}{(e-1)^3}>0이다.

+20점 · [단계 4]에서 사잇값 정리 이용하여 증명

(단계 4) a>1e−1\displaystyle a>\frac1{e-1}인 a\displaystyle a에 대하여 x′′(a)<0\displaystyle x\prime\prime(a)<0인 점이 존재하면 (단계 3)과 사잇값 정리에 의하여 x′′(b)=0\displaystyle x\prime\prime(b)=0인 b\displaystyle b가 존재하지만 (단계 2)에 모순이다. 따라서 t>1e−1\displaystyle t>\frac1{e-1}인 t\displaystyle t에 대하여 x′′(t)>0\displaystyle x\prime\prime(t)>0이 성립한다.

[별해 3] g(x)=f(x)+f′(x)=ex\displaystyle g(x)=f(x)+f\prime(x)=e^x의 양변에 ex\displaystyle e^x를 곱하면 (+20점)

적분하여 exf(x)=12e2x+C\displaystyle e^xf(x)=\frac12e^{2x}+C를 구하면 (+50점)

답을 얻으면 (+10점)Correction. 3번 채점표의 [별해 3]은 2-3의 채점기준을 잘못 중복 기재한 것이다.g(x)=f(x)+f′(x)=ex\displaystyle g(x)=f(x)+f'(x)=e^x에서 양변에 ex\displaystyle e^x를 곱해 적분하는 과정은 2-3의 별해에 해당하며, 함수 x(t)\displaystyle x(t)를 다루는 3번의 풀이가 아니다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.

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