수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 4번

문제

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해설강의 준비중

조건 I 에 의해 f\displaystyle f가 연속인 일대일 대응이므로 증가함수이거나 감소함수이다. f\displaystyle f가 증가함수라고 하자. 어떤 실수 x\displaystyle x에 대해 f(x)x\displaystyle f(x)\ne x라고 하면 f(x)<x\displaystyle f(x)<x 또는 f(x)>x\displaystyle f(x)>x 이다. f(x)<x\displaystyle f(x)<x이면 x=f(f(x))<f(x)\displaystyle x=f(f(x))<f(x) 이므로 모순이다. 또 f(x)>x\displaystyle f(x)>x이면 x=f(f(x))>f(x)\displaystyle x=f(f(x))>f(x) 이므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=x\displaystyle f(x)=x이다. 이 경우에도

x0f(t)dt0x2f(t)dt=x0tdt0x2tdt=x2/2x4/2x3(x>0)\displaystyle \int_{-x}^0 f(t)dt-\int_0^{x^2}f(t)dt=\int_{-x}^0 tdt-\int_0^{x^2}tdt=-x^2/2-x^4/2\ne x^3(x>0)

으로 모순이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소함수이고 그 그래프는 조건 I에 의해 y=x\displaystyle y=x에 대해 대칭이다.

x0f(t)dt0x2f(t)dt=x3, x>0\displaystyle \int_{-x}^0 f(t)dt-\int_0^{x^2}f(t)dt=x^3,\ x>0

의 양 변을 x\displaystyle x에 관해 미분하면 f(x)2xf(x2)=3x2\displaystyle f(-x)-2xf(x^2)=3x^2이고 따라서 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이다.

0a2f(x)dx\displaystyle -\int_0^{a^2}f(x)dxx\displaystyle x축, 직선 x=a2\displaystyle x=a^2 그리고 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)로 둘러싸인 도형의 면적이다. 또 그래프가 y=x\displaystyle y=x에 대칭이므로 0a2f(x)dx\displaystyle -\int_0^{a^2}f(x)dxy\displaystyle y축과 직선 y=a2\displaystyle y=a^2 그리고 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)로 둘러싸인 도형의 면적과 같다. 그러므로 0a2f(x)dx=b0(a2f(x))dx, (f(b)=a2)\displaystyle -\int_0^{a^2}f(x)dx=\int_{-b}^{0}(a^2-f(x))dx,\ (f(-b)=a^2). 따라서

a3=a0f(x)dx0a2f(x)dx=a0f(x)dx+b0(a2f(x))dx=a0f(x)dx+ba(a2f(x))dx+a0(a2f(x))dx=a3+ba(a2f(x))dx\displaystyle \begin{aligned}a^3&=\int_{-a}^0 f(x)dx-\int_0^{a^2}f(x)dx=\int_{-a}^0 f(x)dx+\int_{-b}^0(a^2-f(x))dx\\&=\int_{-a}^0 f(x)dx+\int_{-b}^{-a}(a^2-f(x))dx+\int_{-a}^{0}(a^2-f(x))dx\\&=a^3+\int_{-b}^{-a}(a^2-f(x))dx\end{aligned}

이므로 ba(a2f(x))dx=0\displaystyle \int_{-b}^{-a}(a^2-f(x))dx=0이다. b>a\displaystyle b>a이면 b<x<a\displaystyle -b<x<-ax\displaystyle x에 대해 a2f(x)>0\displaystyle a^2-f(x)>0이므로 ba(a2f(x))dx>0\displaystyle \int_{-b}^{-a}(a^2-f(x))dx>0이다. 또 a<b\displaystyle a<b이면 a<x<b\displaystyle -a<x<-bx\displaystyle x에 대해 a2f(x)<0\displaystyle a^2-f(x)<0이므로 ba(a2f(x))dx>0\displaystyle \int_{-b}^{-a}(a^2-f(x))dx>0이다. 그러므로 a=b\displaystyle a=b이고 f(a)=a2\displaystyle f(-a)=a^2이다. 결론적으로Correction. 대학 답안의 두 번째 경우에 적힌 a<b\displaystyle a<ba>b\displaystyle a>b의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

f(x)={x2, x0x, x0\displaystyle f(x)=\begin{cases}x^2&,\ x\le0\\-\sqrt{x}&,\ x\ge0\end{cases}

이다.

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