모든 양수에서 성립하는 로그 부등식의 매개변수

모든 양수에서 성립하는 로그 부등식의 매개변수

밤빛이 비치는 현수교의 기둥과 케이블

사진: Derek Jensen ( Tysto ) · Public domain · 원본 출처

ln⁡x≤ax모든 x>0\ln x\le ax\quad\text{모든 }x>0

실수 a의 범위를 구하라. x=1에서 얻는 a≥0만으로 충분할까?

a≤0은 x=e에서 실패한다. 왼쪽은 1, 오른쪽 ae는 0 이하이다. a>0일 때는

F(x)=ln⁡x−axF′(x)=1x−amax⁡F=F(1/a)=−ln⁡a−1 \begin{aligned} F(x)&=\ln x-ax\\ F'(x)&=\frac1x-a\\ \max F&=F(1/a)=-\ln a-1 \end{aligned}

도함수는 x=1/a에서 양수에서 음수로 바뀐다. 모든 x>0에서 F≤0이려면

−ln⁡a−1≤0  ⟺  a≥1/e-\ln a-1\le0\iff \boxed{a\ge1/e}

이어야 한다. 경계 a=1/e에서는 x=e에서만 등호가 성립한다.

한 입력의 필요조건 a≥0과 모든 입력을 보장하는 조건 a≥1/e를 구별한다. 최대를 갖는 입력도 a에 따라 달라지므로 x=1에 고정한 검사는 부족하다.

해외 글의 도함수 부호로 결론을 정당화하는 흐름을, 최댓값의 입력까지 움직이는 매개변수 문항으로 바꿨다.

출처·착안: Reading the Derivative’s Graph. 문항과 풀이는 새로 작성했다.