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서강대 2022학년도 수시 자연계열 (1차) 2번 · mathesis.kr/archive/sogang/2022su/jayeon1_2
· 【2-1】 주어진 부등식의 우변을 n제곱한 식을 제시문 [가]의 이항정리를 사용하여 전개할 수 있다.
전개한 식을 활용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.
【2-1】 1보다 큰 자연수 n에 대하여, (1+n)n1<1+n−12의 양변이 양수이므로, 양변을 n제곱하여 얻게 되는 부등식1+n<(1+n−12)n(1)이 성립함을 보이면 된다. 제시문 [가]를 이용하여 (1)의 우변을 전개하면,(1+n−12)n(2)=nC0+nC1(n−12)+nC2(n−12)2+⋯+nCr(n−12)r+⋯+nCn(n−12)n을 얻게 된다. (2)의 우변의 각 항이 양수이므로,nC0+nC1(n−12)+nC2(n−12)2+⋯+nCr(n−12)r+⋯+nCn(n−12)n>nC0+nC2(n−12)2=1+2n(n−1)×n−12=1+n이다. 따라서, 부등식1+n<(1+n−12)n (n은 1보다 큰 자연수)이 성립한다.
· 【2-2】 부등식이 성립함을 보이기 위하여 두 변의 차로 이루어진 함수의 도함수를 계산하고 도함수의 부호를 결정할 수 있다.
제시문 [나]에 주어진 도함수의 부호와 함수의 증가·감소의 관계 및 함수의 극한을 이용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.
【2-2】 (ⅰ) 임의의 양의 실수 x에 대하여 p(x)=ln(1+x1)−x+11이라고 할 때, p(x)>0임을 보이자.p′(x)=1+x1−x21+(x+1)21=−x(x+1)1+(x+1)21=−x(x+1)21<0이므로 제시문 [나]에 의하여 p(x)는 구간 (0,∞)에서 감소한다. 또한,x→∞limp(x)=x→∞limln(1+x1)−x→∞limx+11=0−0=0이다. 따라서 p(x)>0이다.(ⅱ) 임의의 양의 실수 x에 대하여 q(x)=x(x+1)1−ln(1+x1)이라고 할 때, 위와 같은 방법으로 q(x)>0임을 보이자.q′(x)=−2x(x+1)x(x+1)2x+1+x(x+1)1=−2x(x+1)x(x+1)(2x+1)−2x(x+1)<0이다. 여기서, (2x+1)2−(2x(x+1))2=1>0이고 2x+1>0, 2x(x+1)>0이므로 분자가 양수임을 이용하였다. 그러므로 제시문 [나]에 의하여 q(x)는 구간 (0,∞)에서 감소한다. 또한,x→∞limq(x)=x→∞limx(x+1)1−x→∞limln(1+x1)=0−0=0이다. 따라서 q(x)>0이다.그러므로 (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 주어진 부등식이 성립한다.
· 【2-3】 도함수를 계산하고 문항 【2-2】의 결과를 이용하여 도함수의 부호를 결정할 수 있다.
제시문 [나]에 주어진 도함수의 부호와 함수의 증가·감소의 관계를 이용하여 함수의 증가·감소를 결정할 수 있다.
【2-3】 x>0이면 f(x)=(1+x1)x>0이므로 자연로그를 취할 수 있다. f(x)=(1+x1)x의 양변에 자연로그를 취하면 lnf(x)=xln(1+x1)이다. 양변을 x에 대하여 미분하면f(x)f′(x)=ln(1+x1)+x×(−x(x+1)1)=ln(1+x1)−x+11이므로 문항 【2-2】에 의하여 f′(x)=p(x)f(x)>0이다. 따라서, 제시문 [나]에 의하여 f(x)는 구간 (0,∞)에서 증가한다.
· 【2-4】 정의역에 속하는 x를 1보다 큰 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 생각할 수 있다.
x가 1보다 큰 경우, 문항 【2-3】의 결과와 e의 정의를 활용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.
x가 1보다 작거나 같은 경우, 함수 g(x)의 정의와 문항 【2-3】의 결과를 이용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.
【2-4】 문항 【2-3】에 의하여 f(x)가 열린구간 (0,∞)에서 증가하고 x→∞limf(x)=x→∞lim(1+x1)x=e이므로 f(x)<e(x>0)이다. 따라서 x>1이면 f(x)<e<3=g(x)이다.한편, 0<x≤1이면, x1≥1이므로 x1의 정수 부분인 n에 대하여 1≤n≤x1<n+1을 만족한다. 따라서 0<x≤n1≤1이므로 문항 【2-3】과 g(x)의 정의에 의하여 f(x)≤f(n1)=g(x)이다.그러므로, 임의의 양의 실수 x에 대하여 f(x)≤g(x)이다.
· 【2-5】 문항 【2-1】~【2-4】와 제시문 [다]를 이용하여 함수의 극한을 구하고, 이를 이용하여 주어진 함수의 치역을 찾을 수 있다.
이계도함수를 계산하고, 문항 【2-2】의 결과를 이용하여 이계도함수의 부호를 결정할 수 있다.
이계도함수의 부호를 이용하여 그래프의 오목·볼록 및 변곡점의 존재 여부를 결정할 수 있다.
제시문 [라]를 참고하여 그래프의 개형을 그릴 수 있다.
【2-5】 n→∞lim(1+n−12)=1이고 문항 【2-1】로부터1<(1+n)n1<1+n−12 (n은 1보다 큰 자연수)이므로 제시문 [다]에 의하여 n→∞lim(1+n)n1=1이다. 따라서 x→0+limg(x)=1이다.또한, x→0+limg(x)=1이고 문항 【2-4】로부터 1<f(x)≤g(x)(x>0)이므로 제시문 [다]에 의하여 x→0+limf(x)=1이다.한편, 문항 【2-3】으로부터 f′(x)=p(x)f(x)이므로,f′′(x)=p′(x)f(x)+p(x)f′(x)=f(x)(p′(x)+p2(x))이다. 또한,p′(x)+p2(x)=(x+1)21−x(x+1)1+{ln(1+x1)−x+11}2=(x+1)22−x(x+1)1−x+12×ln(1+x1)+{ln(1+x1)}2=x+12{x+11−ln(1+x1)}+{ln(1+x1)+x(x+1)1}{ln(1+x1)−x(x+1)1}=−x+12×p(x)−{ln(1+x1)+x(x+1)1}×q(x)이다. 문항 【2-2】로부터 p(x)>0이고 q(x)>0이므로 p′(x)+p2(x)<0이다. 따라서 구간 (0,∞)에서 f′′(x)<0이므로 곡선 y=f(x)는 위로 볼록하며 변곡점은 존재하지 않는다.함수 y=f(x)의 그래프의 개형을 그리기 위하여 제시문 [라]의 내용을 확인하면 다음과 같다.① 정의역: {x∣x>0인 실수}, 치역: {y∣1<y<e인 실수}② 좌표축과의 교점은 없다.③ 열린구간 (0,∞)에서 f(x)는 증가한다.f(x)의 극값은 존재하지 않는다. 곡선 y=f(x)는 위로 볼록하며 변곡점은 존재하지 않는다.④ 점근선: y=e따라서 함수 y=f(x)의 그래프의 개형은 다음 그림과 같다.