수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 평균값의 정리함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능하면,f(b)−f(a)b−a=f′(c)\displaystyle \frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{\prime}(c)를 만족하는 c∈(a,b)\displaystyle c\in(a,b)가 적어도 하나 존재한다.

(나) 정적분과 미분의 관계함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 함수 F(x)\displaystyle F(x)를 F(x)=∫axf(t) dt\displaystyle F(x)=\int_a^xf(t)\,dt와 같이 정의하자. 그러면 F(x)\displaystyle F(x)는 x∈[a,b]\displaystyle x\in[a,b]에서 연속이고 ddxF(x)=f(x)\displaystyle \frac d{dx}F(x)=f(x)가 x∈(a,b)\displaystyle x\in(a,b)에 대해서 성립한다.

[2.1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이면, 1b−a∫abf(x) dx=f(c)\displaystyle \frac1{b-a}\int_a^bf(x)\,dx=f(c)를 만족하는 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 존재함을 보이시오.

[2.2] 자연수 n\displaystyle n에 대하여, 0\displaystyle 0이 아닌 실수 a0,a1,…,an\displaystyle a_0,a_1,\ldots,a_n이 a01+a13+a25+⋯+an2n+1=0\displaystyle \frac{a_0}1+\frac{a_1}3+\frac{a_2}5+\cdots+\frac{a_n}{2n+1}=0을 만족한다. 이때 방정식 a0+a1x2+a2x4+⋯+anx2n=0\displaystyle a_0+a_1x^2+a_2x^4+\cdots+a_nx^{2n}=0의 실근이 적어도 두 개임을 보이시오.

해설강의 준비중

[2.1] F(x)=∫axf(t) dt\displaystyle F(x)=\int_a^xf(t)\,dt는 정적분과 미분의 관계로부터, 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능한 함수이다. 따라서 평균값의 정리를 함수 F(x)\displaystyle F(x)에 적용하면,F(b)−F(a)b−a=F′(c)\displaystyle \frac{F(b)-F(a)}{b-a}=F^{\prime}(c)를 만족하는 c∈(a,b)\displaystyle c\in(a,b)가 적어도 하나 존재한다. F(x)\displaystyle F(x)의 정의에 의하여, 위 식의 좌변은1b−a(∫abf(x) dx−∫aaf(x) dx)=1b−a∫abf(x) dx\displaystyle \frac1{b-a}\left(\int_a^bf(x)\,dx-\int_a^af(x)\,dx\right)=\frac1{b-a}\int_a^bf(x)\,dx와 같다. 우변은 정적분과 미분사이의 관계로부터 F′(c)=f(c)\displaystyle F^{\prime}(c)=f(c)이므로 원하는 결과를 얻는다.

[2.2] f(x)=a0+a1x2+a2x4+⋯+anx2n\displaystyle f(x)=a_0+a_1x^2+a_2x^4+\cdots+a_nx^{2n}으로 정의하자. 그러면 f(x)\displaystyle f(x)는 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속이므로 문제 [2.1]에 의해서11−0∫01f(x) dx=f(c)\displaystyle \frac1{1-0}\int_0^1f(x)\,dx=f(c)를 만족하는 c∈(0,1)\displaystyle c\in(0,1)가 적어도 하나 존재한다. 위 식의 좌변은∫01f(x) dx=a01+a13+a25+⋯+an2n+1=0\displaystyle \int_0^1f(x)\,dx=\frac{a_0}1+\frac{a_1}3+\frac{a_2}5+\cdots+\frac{a_n}{2n+1}=0이므로, f(c)=0\displaystyle f(c)=0을 만족하는 c\displaystyle c가 열린 구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에 적어도 하나 존재한다. 또한 f(c)=f(−c)\displaystyle f(c)=f(-c)이므로 c\displaystyle c가 근이면 −c\displaystyle -c 역시 근이다. 위에서 c∈(0,1)\displaystyle c\in(0,1)이므로, c≠0\displaystyle c\neq0이고 c≠−c\displaystyle c\neq-c이다. (사실, f(0)=a0≠0\displaystyle f(0)=a_0\neq0이므로 0은 근이 될 수 없다.) 따라서 방정식 a0+a1x2+a2x4+⋯+anx2n=0\displaystyle a_0+a_1x^2+a_2x^4+\cdots+a_nx^{2n}=0의 실근은 적어도 두 개다.

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