수리논술, 이게 다다.

자유전공학부 2번

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문제

[문제 2] 실수 전체의 집합에서 두 번 미분 가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 다음 세 조건을 만족시킨다.

(1) f(x)>0\displaystyle f(x)>0, (2) f′(1)=1\displaystyle f^{\prime}(1)=1, (3) f(x+12)=ef(x)\displaystyle f(\frac{x+1}{2})=e\sqrt{f(x)}

이때 g(x)=ln⁡f(x)\displaystyle g(x)=\ln f(x)라 정의하자.

(2-1) g′(1)\displaystyle g^{\prime}(1)을 구하시오. (100점)

(2-2) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g′(x+12)=g′(x)\displaystyle g^{\prime}(\frac{x+1}{2})=g^{\prime}(x)임을 보이고 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여g′(x)=g′(1+x−12n)\displaystyle g^{\prime}(x)=g^{\prime}(1+\frac{x-1}{2^n})임을 보이시오. (120점)

(2-3) g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)와 g(x)\displaystyle g(x)를 구하시오. (130점)

해설강의 준비중
+50점 · f(1)=e2\displaystyle f(1)=e^2를 구하면

(2-1) 조건 (3)에 x=1\displaystyle x=1을 대입하면 f(1)=ef(1)\displaystyle f(1)=e\sqrt{f(1)}이다. f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로 이것을 풀면 f(1)=e2\displaystyle f(1)=e^2이다.

+50점 · 답 g′(1)=1e2\displaystyle g^{\prime}(1)=\frac1{e^2}을 구하면

그런데 g′(x)=f′(x)f(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}이므로 g′(1)=f′(1)f(1)=1e2\displaystyle g^{\prime}(1)=\frac{f^{\prime}(1)}{f(1)}=\frac1{e^2}이다.

+60점 · g(x+12)=1+12g(x)\displaystyle g(\frac{x+1}{2})=1+\frac12g(x)를 구하면

(2-2) 조건 (3)의 양변에 로그를 취하면ln⁡f(x+12)=ln⁡ef(x)=1+12ln⁡f(x)\displaystyle \ln f(\frac{x+1}{2})=\ln e\sqrt{f(x)}=1+\frac12\ln f(x)이다. 즉 g(x+12)=1+12g(x)\displaystyle g(\frac{x+1}{2})=1+\frac12g(x)을 얻는다.

+20점 · g′(x+12)=g′(x)\displaystyle g^{\prime}(\frac{x+1}{2})=g^{\prime}(x)를 구하면

이 식을 미분하면 g′(x+12)=g′(x)\displaystyle g^{\prime}(\frac{x+1}{2})=g^{\prime}(x)가 된다.

+40점 · g′(x)=g′(x2n+12n+12n−1+⋯+12)=g′(1+x−12n)\displaystyle g^{\prime}(x)=g^{\prime}(\frac x{2^n}+\frac1{2^n}+\frac1{2^{n-1}}+\cdots+\frac12)=g^{\prime}(1+\frac{x-1}{2^n})를 구하면

따라서g′(x)=g′(x2+12)=g′(x4+14+12)=g′(x8+18+14+12)=g′(x2n+12n+12n−1+⋯+12)=g′(1+x−12n)\displaystyle \begin{aligned}g^{\prime}(x)&=g^{\prime}(\frac x2+\frac12)=g^{\prime}(\frac x4+\frac14+\frac12)=g^{\prime}(\frac x8+\frac18+\frac14+\frac12)\\&=g^{\prime}(\frac{x}{2^n}+\frac1{2^n}+\frac1{2^{n-1}}+\cdots+\frac12)=g^{\prime}(1+\frac{x-1}{2^n})\end{aligned}이다.

+30점 · g(x)\displaystyle g(x)가 두 번 미분 가능함을 설명하거나 이용하면

(2-3) f(x)\displaystyle f(x)가 두 번 미분 가능하므로 g(x)\displaystyle g(x)도 두 번 미분 가능하다.

+70점 · g′(x)=lim⁡n→∞g′(1+x−12n)=g′(1)=1e2\displaystyle g^{\prime}(x)=\lim_{n\to\infty}g^{\prime}(1+\frac{x-1}{2^n})=g^{\prime}(1)=\frac1{e^2}을 구하면

따라서 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 연속이고 g′(x)=lim⁡n→∞g′(1+x−12n)=g′(1)=1e2\displaystyle g^{\prime}(x)=\lim_{n\to\infty}g^{\prime}(1+\frac{x-1}{2^n})=g^{\prime}(1)=\frac1{e^2}이다.

+30점 · g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)와 g(x)\displaystyle g(x)를 구하면

즉 g(x)=1e2x+C\displaystyle g(x)=\frac1{e^2}x+C이다. f(1)=e2\displaystyle f(1)=e^2이므로 g(1)=ln⁡f(1)=ln⁡e2=2\displaystyle g(1)=\ln f(1)=\ln e^2=2이다.그러므로 g(1)=1e2+C=2\displaystyle g(1)=\frac1{e^2}+C=2에서 C=2−1e2\displaystyle C=2-\frac1{e^2}이다. 따라서 g(x)=1e2x+2−1e2\displaystyle g(x)=\frac1{e^2}x+2-\frac1{e^2}

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