서강대 2019학년도 모의 1차 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2019mo_1/jayeon_1
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문제
[가]다음과 같은 극한x→0lim(1+x)1/x이 존재하고, 그 극한값이 유리수가 아닌 무리수 2.71828182⋯임이 알려져 있다. 이 극한값을 e로 나타낸다.
[나]1이 아닌 양의 실수 a를 밑으로 하는 지수함수 y=ax는 실수 전체의 집합에서 양의 실수 전체의 집합으로의 일대일 대응이므로 역함수를 갖는다. 이 역함수를 a를 밑으로 하는 로그함수라고 하고 y=logax로 나타낸다. 지수함수 y=ax는 실수 전체의 집합에서 연속이고 로그함수 y=logax는 양의 실수 전체의 집합에서 연속이다. 특별히, 밑이 e인 로그함수를 y=lnx로 나타낸다. 로그의 정의에 의해서 lne=1이다. 또한, ln1=0이고, 0<x<1일 때는 lnx<0이고 x>1일 때는 lnx>0이다.
[다]임의의 양의 실수 x,y와 임의의 실수 r에 대하여 다음이 성립한다.(1)logaxy=logax+logay(2)loga(yx)=logax−logay(3)loga(xr)=rlogax
[라]함수 f의 도함수를 다음의 식으로 정의한다.f′(x)=h→0limhf(x+h)−f(x)
[마]실수 a가 아니면서 a에 충분히 가까운 모든 실수 x에 대하여 세 함수 f,g,h가f(x)≤g(x)≤h(x)를 만족하며x→alimf(x)=L=x→alimh(x)이면x→alimg(x)=L이다. 같은 결과가 x→∞ 또는 x→−∞일 때의 극한에 대해서도 성립한다.
[바]임의의 자연수 n에 대하여 다음의 극한식이 성립한다.x→∞limxn1=0,x→0+limnx=0
※ 제시문 [가]-[바]를 읽고, 아래의 물음에 답하여라.
문제 1. 로그함수 f(x)=lnx에 대하여 다음을 보여라.f′(x)=x1(x>0)
문제 2. 임의의 양의 실수 x에 대하여 아래 부등식이 성립하도록 하는 양의 실수 k의 값의 범위를 구하여라.lnx≤kx−1
문제 3. α가 양의 실수일 때, 아래 부등식이 성립함을 보여라.α1(1−x−α)≤lnx≤α1(xα−1)(x>0)
문제 4. 문제 3의 부등식을 이용하여 아래의 극한식이 성립함을 보여라.x→∞limxlnx=0,x→0+limxlnx=0
해설강의 준비중
서강대 2019학년도 모의 1차 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2019mo_1/jayeon_1
1-1 · 도함수의 정의와 로그의 성질을 이용하여 자연로그함수의 도함수를 구할 수 있는지를 평가한다.
문제 1의 답안: 제시문 [다]와 [라]를 이용하면,f′(x)=h→0limhln(x+h)−lnx=h→0limh1lnxx+h=h→0limx1ln(1+xh)x/h이다. 여기서, t=xh라고 하면 h→0일 때 t→0이고, 로그함수 f가 양의 실수 전체의 집합에서 연속이므로, 제시문 [가]에 의하여f′(x)=t→0limx1ln(1+t)1/t=x1lne=x1이다.
1-2 · 적당한 함수의 일계도함수의 부호를 이용하여 그 함수의 증가 또는 감소를 판단할 수 있는지를 평가한다.
문제 2의 답안: g(x)=kx−1−lnx라고 하면,g′(x)=k−x1=xkx−1이므로 0<x<k1일 때 g′(x)<0이고 x>k1일 때 g′(x)>0이다. 따라서 함수 g는 x=k1에서 최솟값 g(k1)=lnk을 갖는다. 이 값이 0보다 크거나 같을 때, 즉 k≥1일 때, 모든 x>0에 대하여 g(x)≥0이 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 부등식lnt≤t−1이 모든 t>0에 대하여 성립한다. 임의의 양수 x에 대하여 t=xα이라고 놓으면 t>0이므로lnxα≤xα−1이 성립한다. 제시문 [다]의 결과를 이용하면αlnx≤xα−1이고, α>0이므로lnx≤αxα−1이다. 마찬가지로 t=x−α라고 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≥1에 대하여,0≤lnx≤2(x−1)이 성립한다. 따라서 모든 x≥1에 대하여0≤xlnx≤2(x1−x1)이다. 또한, 제시문 [바]에 의하여x→∞lim2(x1−x1)=0이므로 제시문 [마]에 의하여x→∞limxlnx=0을 얻는다.문제 3에 의해서 모든 0<x≤1에 대하여,4x4(4x−1)≤lnx≤0이므로44x(4x−1)≤xlnx≤0이다. 또한,x→0+lim44x(4x−1)=0이므로x→0+limxlnx=0을 얻는다.