수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.(33점)

(가) 함수의 증감함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능할 때,(a,b)\displaystyle (a,b)에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 증가한다.(a,b)\displaystyle (a,b)에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 감소한다.

(나) 함수의 극대, 극소함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하고 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0일 때, x=a\displaystyle x=a의 좌우에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가양에서 음으로 바뀌면 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)는 극댓값이다.음에서 양으로 바뀌면 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)는 극솟값이다.

[2.1] 함수 f(x)=x−eln⁡x\displaystyle f(x)=x-e\ln x (x>0\displaystyle x>0)의 최솟값을 구하시오.(6점)

[2.2] 문항 [2.1]의 결과를 이용하여 eπ\displaystyle e^\pi과 πe\displaystyle \pi^e의 대소 관계를 밝히시오.(9점)

[2.3] e<a<b\displaystyle e<a<b일 때, 문항 [2.1], [2.2]를 참조하여 적당한 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 만들고 이를 이용하여 ab\displaystyle a^b과 ba\displaystyle b^a의 대소 관계를 밝히시오.(18점)

해설강의 준비중

[2.1] f′(x)=1−ex\displaystyle f^{\prime}(x)=1-\frac ex이므로 f′(e)=0\displaystyle f^{\prime}(e)=0이고, 증감표를 만들면 다음과 같다.

x0⋯e⋯f′(x)−0+f(x)감소0증가\displaystyle \begin{array}{c|cccc}x&0&\cdots&e&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&&-&0&+\\f(x)&&\text{감소}&0&\text{증가}\end{array}

따라서 최솟값은 f(e)=0\displaystyle f(e)=0이다.

[2.2] f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값이 f(e)=0\displaystyle f(e)=0이므로 f(π)>0\displaystyle f(\pi)>0이다. 즉f(π)=π−eln⁡π=π−ln⁡πe>0\displaystyle f(\pi)=\pi-e\ln\pi=\pi-\ln\pi^e>0이므로π>ln⁡πe\displaystyle \pi>\ln\pi^e이다. 따라서eπ>πe\displaystyle e^\pi>\pi^e이다.

[2.3] g(x)=ln⁡a−aln⁡xx\displaystyle g(x)=\ln a-a\frac{\ln x}x, x>0\displaystyle x>0라 하면g′(x)=aln⁡x−1x2\displaystyle g^{\prime}(x)=a\frac{\ln x-1}{x^2}이므로 g′(e)=0\displaystyle g^{\prime}(e)=0이다. g(x)\displaystyle g(x)는 x>e\displaystyle x>e일 때 증가하고 g(a)=0\displaystyle g(a)=0이다. 그런데 e<a<b\displaystyle e<a<b이므로g(b)=ln⁡a−abln⁡b>g(a)=0\displaystyle g(b)=\ln a-\frac ab\ln b>g(a)=0이다. 즉,bln⁡a>aln⁡b\displaystyle b\ln a>a\ln b이므로ab>ba\displaystyle a^b>b^a이다.

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