문제2 (1) 답안
f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 에 대해 다음 가),나) 그리고 다)가 성립함을 보일 수 있다.
가) 임의의 정수 n \displaystyle n n 과 임의의 실수 x \displaystyle x x 에 대해 f ( x + 2 3 n ) = f ( x ) + 2 3 n \displaystyle f(x+\frac{2}{3}n)=f(x)+\frac{2}{3}n f ( x + 3 2 n ) = f ( x ) + 3 2 n 이다.
나) x < 0 ⇒ f ( x ) < 0 \displaystyle x<0\Rightarrow f(x)<0 x < 0 ⇒ f ( x ) < 0
다) x ≥ 4 / 3 ⇒ f ( x ) ≥ 2 / 3 \displaystyle x\ge4/3\Rightarrow f(x)\ge2/3 x ≥ 4/3 ⇒ f ( x ) ≥ 2/3
임의의 실수 x \displaystyle x x 에 대해 f ( x + 2 3 ) = f ( x ) + 2 3 \displaystyle f\left(x+\frac{2}{3}\right)=f(x)+\frac{2}{3} f ( x + 3 2 ) = f ( x ) + 3 2 으로부터 가)임을 알 수 있다.
x < 0 \displaystyle x<0 x < 0 이면 적당한 음이 아닌 정수 n \displaystyle n n 에 대하여 n < − 3 x 2 ≤ n + 1 \displaystyle n<-\frac{3x}{2}\le n+1 n < − 2 3 x ≤ n + 1 을 만족한다. 그러므로 − 2 3 ( n + 1 ) ≤ x < − 2 3 n ( n ≥ 0 ) \displaystyle -\frac{2}{3}(n+1)\le x<-\frac{2}{3}n\ (n\ge0) − 3 2 ( n + 1 ) ≤ x < − 3 2 n ( n ≥ 0 ) 이고 따라서 0 ≤ x + 2 3 ( n + 1 ) < 2 3 \displaystyle 0\le x+\frac{2}{3}(n+1)<\frac{2}{3} 0 ≤ x + 3 2 ( n + 1 ) < 3 2 이고 [ 0 , 2 3 ) \displaystyle \left[0,\frac{2}{3}\right) [ 0 , 3 2 ) 에서 f ( x ) < 2 3 \displaystyle f(x)<\frac{2}{3} f ( x ) < 3 2 이므로 가)를 쓰면 f ( x + 2 3 ( n + 1 ) ) = f ( x ) + 2 3 ( n + 1 ) < 2 3 \displaystyle f\left(x+\frac{2}{3}(n+1)\right)=f(x)+\frac{2}{3}(n+1)<\frac{2}{3} f ( x + 3 2 ( n + 1 ) ) = f ( x ) + 3 2 ( n + 1 ) < 3 2 이므로 f ( x ) < − 2 3 n ≤ 0 \displaystyle f(x)<-\frac{2}{3}n\le0 f ( x ) < − 3 2 n ≤ 0 이고 나)임을 안다.
x ≥ 4 / 3 \displaystyle x\ge4/3 x ≥ 4/3 이면 적당한 음이 아닌 정수 n \displaystyle n n 에 대해 n ≤ 3 2 ( x − 4 3 ) < n + 1 \displaystyle n\le\frac{3}{2}\left(x-\frac{4}{3}\right)<n+1 n ≤ 2 3 ( x − 3 4 ) < n + 1 을 만족한다. 그러므로 2 ( n + 2 ) 3 ≤ x < 2 ( n + 3 ) 3 \displaystyle \frac{2(n+2)}{3}\le x<\frac{2(n+3)}{3} 3 2 ( n + 2 ) ≤ x < 3 2 ( n + 3 ) 또는 0 ≤ x − 2 ( n + 2 ) 3 < 2 3 \displaystyle 0\le x-\frac{2(n+2)}{3}<\frac{2}{3} 0 ≤ x − 3 2 ( n + 2 ) < 3 2 인 음이 아닌 정수 n \displaystyle n n 이 있다.
그런데 [ 0 , 2 3 ) \displaystyle \left[0,\frac{2}{3}\right) [ 0 , 3 2 ) 에서 f ( x ) ≥ − 2 3 \displaystyle f(x)\ge-\frac{2}{3} f ( x ) ≥ − 3 2 이므로 f ( x − 2 ( n + 2 ) 3 ) ≥ − 2 3 \displaystyle f\left(x-\frac{2(n+2)}{3}\right)\ge-\frac{2}{3} f ( x − 3 2 ( n + 2 ) ) ≥ − 3 2 이고 f ( x ) ≥ 2 n 3 + 2 3 ≥ 2 3 \displaystyle f(x)\ge\frac{2n}{3}+\frac{2}{3}\ge\frac{2}{3} f ( x ) ≥ 3 2 n + 3 2 ≥ 3 2 이므로 다)임을 알 수 있다.
0 ≤ c < 2 3 \displaystyle 0\le c<\frac{2}{3} 0 ≤ c < 3 2 에 대해 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 인 x \displaystyle x x 는 가) 와 나) 에 의해 구간 [ 0 , 4 3 ) \displaystyle \left[0,\frac{4}{3}\right) [ 0 , 3 4 ) 에 속한다.
[ 0 , 4 3 ) \displaystyle \left[0,\frac{4}{3}\right) [ 0 , 3 4 ) 에서의 f \displaystyle f f 는 다음과 같다.
f ( x ) = { − 2 x , 0 ≤ x < 1 3 4 x − 2 , 1 3 ≤ x < 2 3 − 2 x + 2 , 2 3 ≤ x < 1 4 x − 4 , 1 ≤ x < 4 3 \displaystyle f(x)=\begin{cases}-2x&,\ 0\le x<\frac{1}{3}\\4x-2&,\ \frac{1}{3}\le x<\frac{2}{3}\\-2x+2&,\ \frac{2}{3}\le x<1\\4x-4&,\ 1\le x<\frac{4}{3}\end{cases} f ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ − 2 x 4 x − 2 − 2 x + 2 4 x − 4 , 0 ≤ x < 3 1 , 3 1 ≤ x < 3 2 , 3 2 ≤ x < 1 , 1 ≤ x < 3 4
f ( x ) = 0 \displaystyle f(x)=0 f ( x ) = 0 이면 x = 0 , 1 2 , 1 \displaystyle x=0,\frac{1}{2},1 x = 0 , 2 1 , 1 이고 0 < c < 2 3 \displaystyle 0<c<\frac{2}{3} 0 < c < 3 2 이고 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 라면 x = 2 + c 4 , 2 − c 2 , 4 + c 4 \displaystyle x=\frac{2+c}{4},\frac{2-c}{2},\frac{4+c}{4} x = 4 2 + c , 2 2 − c , 4 4 + c 이고 이들은 서로 다르다. 그러므로 0 ≤ c < 2 3 \displaystyle 0\le c<\frac{2}{3} 0 ≤ c < 3 2 에 대해 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 를 만족하는 실수 x \displaystyle x x 는 단 세 개뿐이다.
임의의 실수 c \displaystyle c c 에 대해서는 정수 n \displaystyle n n 이 있어서 2 3 n ≤ c < 2 ( n + 1 ) 3 \displaystyle \frac{2}{3}n\le c<\frac{2(n+1)}{3} 3 2 n ≤ c < 3 2 ( n + 1 ) 이므로 0 ≤ c − 2 3 n < 2 3 \displaystyle 0\le c-\frac{2}{3}n<\frac{2}{3} 0 ≤ c − 3 2 n < 3 2 이다.
f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 이면 f ( x − 2 3 n ) = f ( x ) − 2 3 n = c − 2 3 n \displaystyle f\left(x-\frac{2}{3}n\right)=f(x)-\frac{2}{3}n=c-\frac{2}{3}n f ( x − 3 2 n ) = f ( x ) − 3 2 n = c − 3 2 n 이다.
c = 2 n 3 \displaystyle c=\frac{2n}{3} c = 3 2 n 이면 x − 2 n 3 = 0 , 1 2 , 1 \displaystyle x-\frac{2n}{3}=0,\frac{1}{2},1 x − 3 2 n = 0 , 2 1 , 1 이므로 x = 2 n 3 , 1 2 + 2 n 3 , 1 + 2 n 3 \displaystyle x=\frac{2n}{3},\frac{1}{2}+\frac{2n}{3},1+\frac{2n}{3} x = 3 2 n , 2 1 + 3 2 n , 1 + 3 2 n 이고 0 < c − 2 3 n < 2 3 \displaystyle 0<c-\frac{2}{3}n<\frac{2}{3} 0 < c − 3 2 n < 3 2 이면
x − 2 n 3 = 2 + ( c − 2 n 3 ) 4 , 2 − ( c − 2 n 3 ) 2 , 4 + ( c − 2 n 3 ) 4 \displaystyle x-\frac{2n}{3}=\frac{2+(c-\frac{2n}{3})}{4},\frac{2-(c-\frac{2n}{3})}{2},\frac{4+(c-\frac{2n}{3})}{4} x − 3 2 n = 4 2 + ( c − 3 2 n ) , 2 2 − ( c − 3 2 n ) , 4 4 + ( c − 3 2 n )
또는
x = n 2 + 2 + c 4 , n + 2 − c 2 , n 2 + 4 + c 4 \displaystyle x=\frac{n}{2}+\frac{2+c}{4},n+\frac{2-c}{2},\frac{n}{2}+\frac{4+c}{4} x = 2 n + 4 2 + c , n + 2 2 − c , 2 n + 4 4 + c 이다.
그러므로 임의의 실수 c \displaystyle c c 에 대해 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 를 만족하는 실수 x \displaystyle x x 는 오직 세 개뿐이다.
문제2의 (2) 답안
문제 1)의 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 실수전체집합에서 연속인 함수이므로 합성함수 g ( x ) = f ( f ( log e x ) ) \displaystyle g(x)=f(f(\log_e x)) g ( x ) = f ( f ( log e x )) 는 는 구간 ( 0 , ∞ ) \displaystyle (0,\infty) ( 0 , ∞ ) 에서 연속인 함수이다.
임의의 실수 c \displaystyle c c 에 대해 g ( x ) = c \displaystyle g(x)=c g ( x ) = c 를 고려하면
문제 1)에 의해 f ( x i ) = c \displaystyle f(x_i)=c f ( x i ) = c 인 세 개의 서로 다른 실수 x 1 , x 2 , x 3 \displaystyle x_1,x_2,x_3 x 1 , x 2 , x 3 이 있다.
또 f ( z 1 ) = f ( z 2 ) = f ( z 3 ) = x 1 \displaystyle f(z_1)=f(z_2)=f(z_3)=x_1 f ( z 1 ) = f ( z 2 ) = f ( z 3 ) = x 1
f ( z 4 ) = f ( z 5 ) = f ( z 6 ) = x 2 \displaystyle f(z_4)=f(z_5)=f(z_6)=x_2 f ( z 4 ) = f ( z 5 ) = f ( z 6 ) = x 2
f ( z 7 ) = f ( z 8 ) = f ( z 9 ) = x 3 \displaystyle f(z_7)=f(z_8)=f(z_9)=x_3 f ( z 7 ) = f ( z 8 ) = f ( z 9 ) = x 3
인 서로 다른 실수 z 1 , z 2 , ⋯ , z 9 \displaystyle z_1,z_2,\cdots,z_9 z 1 , z 2 , ⋯ , z 9 이 있다.
그러므로 g ( x ) = c \displaystyle g(x)=c g ( x ) = c 를 만족하는 양수 x \displaystyle x x 는 e z i ( 1 ≤ i ≤ 9 ) \displaystyle e^{z_i}(1\le i\le9) e z i ( 1 ≤ i ≤ 9 ) 중에 하나이다.
따라서 함수 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 는 주어진 조건 (가)와 (나)를 만족하는 함수의 예이다.
문항 채점 기준 배점 2-1 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 그래프를 제시한 경우 10 2-1 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 그래프를 제시하고 특수한 경우에 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 의 해가 세 개 있다는 것을 보이는 경우 20 2-1 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 부족한 경우 30 2-1 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 약간 부족한 경우 40 2-1 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f ( x ) = c \displaystyle f(x)=c f ( x ) = c 의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 완전한 경우 60 2-2 ( − ∞ , ∞ ) \displaystyle (-\infty,\infty) ( − ∞ , ∞ ) 에서 정의된 함수 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 가 임의의 상수 g ( x ) = c \displaystyle g(x)=c g ( x ) = c 가 아홉 개의 근을 갖는다는 것을 그래프로 설명한 경우5 2-2 1)의 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 에 대해 임의의 상수 c \displaystyle c c 에 대해 f ( f ( x ) ) = c \displaystyle f(f(x))=c f ( f ( x )) = c 가 아홉 개의 근을 갖는다는 것을 설명한 경우 15 2-2 ( − ∞ , ∞ ) \displaystyle (-\infty,\infty) ( − ∞ , ∞ ) 에서 정의된 함수 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 에 대해 g ( x ) = c \displaystyle g(x)=c g ( x ) = c 가 아홉 개의 근을 가지면 g ( log x ) \displaystyle g(\log x) g ( log x ) 가 조건을 만족한다는 것을 설명한 경우15 2-2 1번을 이용하여 함수 f ( f ( log e x ) ) \displaystyle f(f(\log_e x)) f ( f ( log e x )) 가 주어진 조건을 만족한다는 것을 설명한 경우 30 2-2 조건을 만족하는 함수 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 의 예를 들고 조건을 만족함을 설명한 경우 30