수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

3. 다음 <제시문 3-1>에서 <제시문 3-2>를 읽고 [문제 3-i]과 [문제 3-ii]에 답하시오.

<제시문 3-1> 폐구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 구간위의 정적분 ∫abf(x) dx\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx는 좌표평면에서 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축, x=a\displaystyle x=a와 x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 영역의 부호를 가진 넓이로 해석될 수 있다.

<제시문 3-2> 함수 f:[0,∞)→[0,∞)\displaystyle f:[0,\infty)\to[0,\infty)가 <그림 1>과 같이 x≥0\displaystyle x\ge0에서 연속이고 증가하는 일대일 대응이라고 하자. 만약, f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 x≥0\displaystyle x\ge0에서 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수 x=f−1(y)\displaystyle x=f^{-1}(y)가 모든 y≥0\displaystyle y\ge0에 대하여 존재한다면, <그림 1>과 <제시문 3-1>로부터 모든 양수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음의 부등식이 성립함을 알 수 있다.ab≤∫0af(x)dx+∫0bf−1(y)dy⋯⋯(1)\displaystyle ab\le\int_0^af(x)dx+\int_0^bf^{-1}(y)dy\quad\cdots\cdots(1)

역함수와 함수의 적분 영역을 더한 넓이와 직사각형 ab를 비교하는 그림 1

[문제 3-i] p\displaystyle p가 1보다 큰 양수이고, q\displaystyle q가 1p+1q=1\displaystyle \frac1p+\frac1q=1을 만족하는 양수일 때, <제시문 3-2>의 식 (1)을 이용하여 모든 양수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 부등식이 성립함을 논증하시오.(필요한 경우, k≠−1\displaystyle k\ne-1인 실수일 때, ∫xkdx=1k+1xk+1+C\displaystyle \int x^kdx=\frac1{k+1}x^{k+1}+C임을 이용하시오.)ab≤app+bqq\displaystyle ab\le\frac{a^p}p+\frac{b^q}q

[문제 3-ii] <제시문 3-2>의 식 (1)에서 등호가 성립할 때, a\displaystyle a와 b\displaystyle b의 관계를 <그림 1>로부터 유추하고 또한 이로부터 [문제 3-i]의 부등식에서 등호가 성립할 조건, 즉, ab=app+bqq\displaystyle ab=\frac{a^p}p+\frac{b^q}q가 성립할 조건을 추론하시오.

해설강의 준비중

(3-i) app\displaystyle \frac{a^p}p라는 항을 만들기 위해서는 xp−1\displaystyle x^{p-1}을 적분하여야 한다. p>1\displaystyle p>1인 경우 f(x)=xp−1\displaystyle f(x)=x^{p-1}은 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)로 가는 일대일대응이 된다. x\displaystyle x와 y\displaystyle y를 바꾸는 과정, 즉, y=x\displaystyle y=x에 관하여 대칭이동을 함으로써 역함수를 구할 수 있다. 주어진 함수의 역함수는 x=yp−1\displaystyle x=y^{p-1}, 즉, y=x1p−1\displaystyle y=x^{\frac1{p-1}} (x≥0)\displaystyle (x\ge0)가 된다.

<제시문 3-2>에 주어진 식 (1) ab≤∫0af(x)dx+∫0bf−1(y)dy\displaystyle ab\le\int_0^af(x)dx+\int_0^bf^{-1}(y)dy을 적용하고자 한다. f(x)=xp−1\displaystyle f(x)=x^{p-1}, f−1(y)=y1p−1\displaystyle f^{-1}(y)=y^{\frac1{p-1}}라 두면, ∫0axp−1dx=[1pxp]x=0a=app\displaystyle \int_0^ax^{p-1}dx=\Biggl[\frac1px^p\Biggr]_{x=0}^a=\frac{a^p}p가 되고,∫0by1p−1dy=[p−1pypp−1]y=0b=p−1pbpp−1\displaystyle \int_0^by^{\frac1{p-1}}dy=\Biggl[\frac{p-1}py^{\frac p{p-1}}\Biggr]_{y=0}^b=\frac{p-1}pb^{\frac p{p-1}}가 성립한다. 문제에서 q\displaystyle q는 1p+1q=1\displaystyle \frac1p+\frac1q=1을 만족하므로, q=pp−1\displaystyle q=\frac p{p-1}이고 따라서, ∫0by1p−1dy=p−1pbpp−1=bqq\displaystyle \int_0^by^{\frac1{p-1}}dy=\frac{p-1}pb^{\frac p{p-1}}=\frac{b^q}q가 성립한다.

그러므로, 이 경우 식 (1)의 우변은 app+bqq\displaystyle \frac{a^p}p+\frac{b^q}q가 되고 따라서, ab≤app+bqq\displaystyle ab\le\frac{a^p}p+\frac{b^q}q가 성립한다.

(3-ii) 직사각형의 넓이와 적분 영역의 넓이가 같아지려면 <그림 1>로부터 등식이 성립할 때, f(a)\displaystyle f(a)와 b\displaystyle b가 같아야 함을 알 수 있다. 즉, 식 (1)의 등호가 성립할 조건은 b=f(a)\displaystyle b=f(a)이다. 마찬가지로, [문제 3-i]에 주어진 부등식의 등호가 성립할 조건은 b=ap−1\displaystyle b=a^{p-1}, 즉 bq=ap\displaystyle b^q=a^p이다.

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