수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

오류 제보

문제

[가] 다음과 같은 극한lim⁡x→0(1+x)1/x\displaystyle \lim_{x\to0}(1+x)^{1/x}이 존재하고, 그 극한값이 유리수가 아닌 무리수 2.71828182⋯\displaystyle 2.71828182\cdots임이 알려져 있다. 이 극한값을 e\displaystyle e로 나타낸다.

[나] 1\displaystyle 1이 아닌 양의 실수 a\displaystyle a를 밑으로 하는 지수함수 y=ax\displaystyle y=a^x는 실수 전체의 집합에서 양의 실수 전체의 집합으로의 일대일 대응이므로 역함수를 갖는다. 이 역함수를 a\displaystyle a를 밑으로 하는 로그함수라고 하고 y=log⁡ax\displaystyle y=\log_a x로 나타낸다. 지수함수 y=ax\displaystyle y=a^x는 실수 전체의 집합에서 연속이고 로그함수 y=log⁡ax\displaystyle y=\log_a x는 양의 실수 전체의 집합에서 연속이다. 특별히, 밑이 e\displaystyle e인 로그함수를 y=ln⁡x\displaystyle y=\ln x로 나타낸다. 로그의 정의에 의해서 ln⁡e=1\displaystyle \ln e=1이다. 또한, ln⁡1=0\displaystyle \ln1=0이고, 0<x<1\displaystyle 0<x<1일 때는 ln⁡x<0\displaystyle \ln x<0이고 x>1\displaystyle x>1일 때는 ln⁡x>0\displaystyle \ln x>0이다.

[다] 임의의 양의 실수 x,y\displaystyle x,y와 임의의 실수 r\displaystyle r에 대하여 다음이 성립한다.(1) log⁡axy=log⁡ax+log⁡ay\displaystyle \log_a xy=\log_a x+\log_a y(2) log⁡a(xy)=log⁡ax−log⁡ay\displaystyle \log_a\left(\frac xy\right)=\log_a x-\log_a y(3) log⁡a(xr)=rlog⁡ax\displaystyle \log_a(x^r)=r\log_a x

[라] 함수 f\displaystyle f의 도함수를 다음의 식으로 정의한다.f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\displaystyle f^{\prime}(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}h

[마] 실수 a\displaystyle a가 아니면서 a\displaystyle a에 충분히 가까운 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 세 함수 f,g,h\displaystyle f,g,h가f(x)≤g(x)≤h(x)\displaystyle f(x)\le g(x)\le h(x)를 만족하며lim⁡x→af(x)=L=lim⁡x→ah(x)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=L=\lim_{x\to a}h(x)이면lim⁡x→ag(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=L이다. 같은 결과가 x→∞\displaystyle x\to\infty 또는 x→−∞\displaystyle x\to-\infty일 때의 극한에 대해서도 성립한다.

[바] 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 다음의 극한식이 성립한다.lim⁡x→∞1xn=0,lim⁡x→0+xn=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac1{x^n}=0,\quad\lim_{x\to0+}\sqrt[n]x=0

※ 제시문 [가]-[바]를 읽고, 아래의 물음에 답하여라.

문제 1. 로그함수 f(x)=ln⁡x\displaystyle f(x)=\ln x에 대하여 다음을 보여라.f′(x)=1x(x>0)\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac1x\quad(x>0)

문제 2. 임의의 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 아래 부등식이 성립하도록 하는 양의 실수 k\displaystyle k의 값의 범위를 구하여라.ln⁡x≤kx−1\displaystyle \ln x\le kx-1

문제 3. α\displaystyle \alpha가 양의 실수일 때, 아래 부등식이 성립함을 보여라.1α(1−x−α)≤ln⁡x≤1α(xα−1)(x>0)\displaystyle \frac1\alpha(1-x^{-\alpha})\le\ln x\le\frac1\alpha(x^\alpha-1)\quad(x>0)

문제 4. 문제 3의 부등식을 이용하여 아래의 극한식이 성립함을 보여라.lim⁡x→∞ln⁡xx=0,lim⁡x→0+xln⁡x=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln x}x=0,\quad\lim_{x\to0+}\sqrt{x}\ln x=0

해설강의 준비중
1-1 · 도함수의 정의와 로그의 성질을 이용하여 자연로그함수의 도함수를 구할 수 있는지를 평가한다.

문제 1의 답안: 제시문 [다]와 [라]를 이용하면,f′(x)=lim⁡h→0ln⁡(x+h)−ln⁡xh=lim⁡h→01hln⁡x+hx=lim⁡h→01xln⁡(1+hx)x/h\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\lim_{h\to0}\frac{\ln(x+h)-\ln x}h\\&=\lim_{h\to0}\frac1h\ln\frac{x+h}x=\lim_{h\to0}\frac1x\ln\left(1+\frac hx\right)^{x/h}\end{aligned}이다. 여기서, t=hx\displaystyle t=\frac hx라고 하면 h→0\displaystyle h\to0일 때 t→0\displaystyle t\to0이고, 로그함수 f\displaystyle f가 양의 실수 전체의 집합에서 연속이므로, 제시문 [가]에 의하여f′(x)=lim⁡t→01xln⁡(1+t)1/t=1xln⁡e=1x\displaystyle f^{\prime}(x)=\lim_{t\to0}\frac1x\ln(1+t)^{1/t}=\frac1x\ln e=\frac1x이다.

1-2 · 적당한 함수의 일계도함수의 부호를 이용하여 그 함수의 증가 또는 감소를 판단할 수 있는지를 평가한다.

문제 2의 답안: g(x)=kx−1−ln⁡x\displaystyle g(x)=kx-1-\ln x라고 하면,g′(x)=k−1x=kx−1x\displaystyle g^{\prime}(x)=k-\frac1x=\frac{kx-1}x이므로 0<x<1k\displaystyle 0<x<\frac1k일 때 g′(x)<0\displaystyle g^{\prime}(x)<0이고 x>1k\displaystyle x>\frac1k일 때 g′(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이다. 따라서 함수 g\displaystyle g는 x=1k\displaystyle x=\frac1k에서 최솟값 g(1k)=ln⁡k\displaystyle g\left(\frac1k\right)=\ln k을 갖는다. 이 값이 0\displaystyle 0보다 크거나 같을 때, 즉 k≥1\displaystyle k\ge1일 때, 모든 x>0\displaystyle x>0에 대하여 g(x)≥0\displaystyle g(x)\ge0이 된다.

1-3 · 로그의 성질을 적절히 활용하여, 로그에 대한 간단한 부등식으로부터 좀 더 복잡한 부등식을 유도할 수 있는가를 평가한다.

문제 3의 답안: 문제 2에 의해서 부등식ln⁡t≤t−1\displaystyle \ln t\le t-1이 모든 t>0\displaystyle t>0에 대하여 성립한다. 임의의 양수 x\displaystyle x에 대하여 t=xα\displaystyle t=x^\alpha이라고 놓으면 t>0\displaystyle t>0이므로ln⁡xα≤xα−1\displaystyle \ln x^\alpha\le x^\alpha-1이 성립한다. 제시문 [다]의 결과를 이용하면αln⁡x≤xα−1\displaystyle \alpha\ln x\le x^\alpha-1이고, α>0\displaystyle \alpha>0이므로ln⁡x≤xα−1α\displaystyle \ln x\le\frac{x^\alpha-1}\alpha이다. 마찬가지로 t=x−α\displaystyle t=x^{-\alpha}라고 놓으면 왼쪽의 부등식을 얻을 수 있다.

1-4 · 극한의 대소 관계를 이용하여, 원하는 극한값을 구할 수 있는지를 평가한다.

문제 4의 답안: 문제 3에 의해서 모든 x≥1\displaystyle x\ge1에 대하여,0≤ln⁡x≤2(x−1)\displaystyle 0\le\ln x\le2(\sqrt{x}-1)이 성립한다. 따라서 모든 x≥1\displaystyle x\ge1에 대하여0≤ln⁡xx≤2(1x−1x)\displaystyle 0\le\frac{\ln x}x\le2\left(\frac1{\sqrt{x}}-\frac1x\right)이다. 또한, 제시문 [바]에 의하여lim⁡x→∞2(1x−1x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}2\left(\frac1{\sqrt{x}}-\frac1x\right)=0이므로 제시문 [마]에 의하여lim⁡x→∞ln⁡xx=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln x}x=0을 얻는다.문제 3에 의해서 모든 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1에 대하여,4(x4−1)x4≤ln⁡x≤0\displaystyle \frac{4(\sqrt[4]x-1)}{\sqrt[4]x}\le\ln x\le0이므로4x4(x4−1)≤xln⁡x≤0\displaystyle 4\sqrt[4]x(\sqrt[4]x-1)\le\sqrt{x}\ln x\le0이다. 또한,lim⁡x→0+4x4(x4−1)=0\displaystyle \lim_{x\to0+}4\sqrt[4]x(\sqrt[4]x-1)=0이므로lim⁡x→0+xln⁡x=0\displaystyle \lim_{x\to0+}\sqrt{x}\ln x=0을 얻는다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.