수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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문제2 (1) 답안

f(x)\displaystyle f(x)에 대해 다음 가),나) 그리고 다)가 성립함을 보일 수 있다.

가) 임의의 정수 n\displaystyle n과 임의의 실수 x\displaystyle x에 대해 f(x+23n)=f(x)+23n\displaystyle f(x+\frac{2}{3}n)=f(x)+\frac{2}{3}n이다.

나) x<0f(x)<0\displaystyle x<0\Rightarrow f(x)<0

다) x4/3f(x)2/3\displaystyle x\ge4/3\Rightarrow f(x)\ge2/3

임의의 실수 x\displaystyle x에 대해 f(x+23)=f(x)+23\displaystyle f\left(x+\frac{2}{3}\right)=f(x)+\frac{2}{3}으로부터 가)임을 알 수 있다.

x<0\displaystyle x<0이면 적당한 음이 아닌 정수 n\displaystyle n에 대하여 n<3x2n+1\displaystyle n<-\frac{3x}{2}\le n+1 을 만족한다. 그러므로 23(n+1)x<23n (n0)\displaystyle -\frac{2}{3}(n+1)\le x<-\frac{2}{3}n\ (n\ge0) 이고 따라서 0x+23(n+1)<23\displaystyle 0\le x+\frac{2}{3}(n+1)<\frac{2}{3}이고 [0,23)\displaystyle \left[0,\frac{2}{3}\right)에서 f(x)<23\displaystyle f(x)<\frac{2}{3}이므로 가)를 쓰면 f(x+23(n+1))=f(x)+23(n+1)<23\displaystyle f\left(x+\frac{2}{3}(n+1)\right)=f(x)+\frac{2}{3}(n+1)<\frac{2}{3} 이므로 f(x)<23n0\displaystyle f(x)<-\frac{2}{3}n\le0이고 나)임을 안다.

x4/3\displaystyle x\ge4/3이면 적당한 음이 아닌 정수 n\displaystyle n에 대해 n32(x43)<n+1\displaystyle n\le\frac{3}{2}\left(x-\frac{4}{3}\right)<n+1을 만족한다. 그러므로 2(n+2)3x<2(n+3)3\displaystyle \frac{2(n+2)}{3}\le x<\frac{2(n+3)}{3} 또는 0x2(n+2)3<23\displaystyle 0\le x-\frac{2(n+2)}{3}<\frac{2}{3}인 음이 아닌 정수 n\displaystyle n이 있다.

그런데 [0,23)\displaystyle \left[0,\frac{2}{3}\right)에서 f(x)23\displaystyle f(x)\ge-\frac{2}{3}이므로 f(x2(n+2)3)23\displaystyle f\left(x-\frac{2(n+2)}{3}\right)\ge-\frac{2}{3}이고 f(x)2n3+2323\displaystyle f(x)\ge\frac{2n}{3}+\frac{2}{3}\ge\frac{2}{3}이므로 다)임을 알 수 있다.

0c<23\displaystyle 0\le c<\frac{2}{3}에 대해 f(x)=c\displaystyle f(x)=cx\displaystyle x는 가) 와 나) 에 의해 구간 [0,43)\displaystyle \left[0,\frac{4}{3}\right)에 속한다.

[0,43)\displaystyle \left[0,\frac{4}{3}\right)에서의 f\displaystyle f는 다음과 같다.

f(x)={2x, 0x<134x2, 13x<232x+2, 23x<14x4, 1x<43\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)=0\displaystyle f(x)=0이면 x=0,12,1\displaystyle x=0,\frac{1}{2},1이고 0<c<23\displaystyle 0<c<\frac{2}{3}이고 f(x)=c\displaystyle f(x)=c라면 x=2+c4,2c2,4+c4\displaystyle x=\frac{2+c}{4},\frac{2-c}{2},\frac{4+c}{4}이고 이들은 서로 다르다. 그러므로 0c<23\displaystyle 0\le c<\frac{2}{3}에 대해 f(x)=c\displaystyle f(x)=c를 만족하는 실수 x\displaystyle x는 단 세 개뿐이다.

임의의 실수 c\displaystyle c에 대해서는 정수 n\displaystyle n이 있어서 23nc<2(n+1)3\displaystyle \frac{2}{3}n\le c<\frac{2(n+1)}{3}이므로 0c23n<23\displaystyle 0\le c-\frac{2}{3}n<\frac{2}{3}이다.

f(x)=c\displaystyle f(x)=c이면 f(x23n)=f(x)23n=c23n\displaystyle f\left(x-\frac{2}{3}n\right)=f(x)-\frac{2}{3}n=c-\frac{2}{3}n이다.

c=2n3\displaystyle c=\frac{2n}{3}이면 x2n3=0,12,1\displaystyle x-\frac{2n}{3}=0,\frac{1}{2},1이므로 x=2n3,12+2n3,1+2n3\displaystyle x=\frac{2n}{3},\frac{1}{2}+\frac{2n}{3},1+\frac{2n}{3}이고 0<c23n<23\displaystyle 0<c-\frac{2}{3}n<\frac{2}{3}이면

x2n3=2+(c2n3)4,2(c2n3)2,4+(c2n3)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}

또는

x=n2+2+c4,n+2c2,n2+4+c4\displaystyle x=\frac{n}{2}+\frac{2+c}{4},n+\frac{2-c}{2},\frac{n}{2}+\frac{4+c}{4}이다.

그러므로 임의의 실수 c\displaystyle c에 대해 f(x)=c\displaystyle f(x)=c를 만족하는 실수 x\displaystyle x는 오직 세 개뿐이다.

문제2의 (2) 답안

문제 1)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수전체집합에서 연속인 함수이므로 합성함수 g(x)=f(f(logex))\displaystyle g(x)=f(f(\log_e x))는 는 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 연속인 함수이다.

임의의 실수 c\displaystyle c에 대해 g(x)=c\displaystyle g(x)=c를 고려하면

문제 1)에 의해 f(xi)=c\displaystyle f(x_i)=c인 세 개의 서로 다른 실수 x1,x2,x3\displaystyle x_1,x_2,x_3이 있다.

f(z1)=f(z2)=f(z3)=x1\displaystyle f(z_1)=f(z_2)=f(z_3)=x_1

f(z4)=f(z5)=f(z6)=x2\displaystyle f(z_4)=f(z_5)=f(z_6)=x_2

f(z7)=f(z8)=f(z9)=x3\displaystyle f(z_7)=f(z_8)=f(z_9)=x_3

인 서로 다른 실수 z1,z2,,z9\displaystyle z_1,z_2,\cdots,z_9이 있다.

그러므로 g(x)=c\displaystyle g(x)=c를 만족하는 양수 x\displaystyle xezi(1i9)\displaystyle e^{z_i}(1\le i\le9)중에 하나이다.

따라서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 주어진 조건 (가)와 (나)를 만족하는 함수의 예이다.

문항채점 기준배점
2-1함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 제시한 경우10
2-1함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 제시하고 특수한 경우에 f(x)=c\displaystyle f(x)=c의 해가 세 개 있다는 것을 보이는 경우20
2-1함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f(x)=c\displaystyle f(x)=c의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 부족한 경우30
2-1함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f(x)=c\displaystyle f(x)=c의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 약간 부족한 경우40
2-1함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 제시하고 일반적인 경우에 f(x)=c\displaystyle f(x)=c의 해가 세 개 있다는 것을 설명했으나 논리적으로 완전한 경우60
2-2(,)\displaystyle (-\infty,\infty)에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 임의의 상수 g(x)=c\displaystyle g(x)=c가 아홉 개의 근을 갖는다는 것을 그래프로 설명한 경우5
2-21)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대해 임의의 상수 c\displaystyle c에 대해 f(f(x))=c\displaystyle f(f(x))=c가 아홉 개의 근을 갖는다는 것을 설명한 경우15
2-2(,)\displaystyle (-\infty,\infty)에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대해 g(x)=c\displaystyle g(x)=c가 아홉 개의 근을 가지면 g(logx)\displaystyle g(\log x)가 조건을 만족한다는 것을 설명한 경우15
2-21번을 이용하여 함수 f(f(logex))\displaystyle f(f(\log_e x))가 주어진 조건을 만족한다는 것을 설명한 경우30
2-2조건을 만족하는 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 예를 들고 조건을 만족함을 설명한 경우30

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