F(x)=ln∣f(x)∣를 미분하면 F′(x)=f(x)f′(x)
x→1lim(x−1)F′(x)=x→1limf(x)=3(x−1)f′(x)에서 f(1)=0이다.
f(x)=(x−1)q(x)라 하면 f′(x)=q(x)+(x−1)q′(x)이므로
x→1lim(x−1)Q(x)(x−1){Q(x)+(x−1)Q′(x)}=1=3이다.
f(x)=(x−1)kh(x)(k≥2인자연수)라 하면
f′(x)=k(x−1)k−1h(x)+(x−1)kh′(x)이므로
x→1lim(x−1)kh(x)(x−1){k(x−1)k−1h(x)+(x−1)kh′(x)}
=x→1lim(x−1)kh(x)k(x−1)kh(x)+(x−1)k+1h′(x)
=k
이므로 조건으로부터 k=3이다.
따라서 f(x)=(x−1)3(x−a)의 꼴이 된다.
x→0limG′(x)F′(x)=x→0limf(x){g′(x)sinx+g(x)cosx}f′(x)×g(x)sinx=41⋯①
에서 x→0일 때 (분자)→0이므로 (분모)→0이어야 한다.
따라서 f(0)g(0)=0이다.
i) f(0)=a=0일 때 g(0)=0
f(x)=(x−1)3(x−a)이고
f′(x)=3(x−1)2(x−a)+(x−1)3=(x−1)2(4x−3a−1)이고
f(x)f′(x)=(x−1)3(x−a)(x−1)2(4x−3a−1)=(x−1)(x−a)4x−3a−1
x→0limG′(x)F′(x)=x→0lim(x−1)(x−a){g′(x)sinx+g(x)cosx}(4x−3a−1)g(x)sinx
=x→0lim(x−1)(x−a)4x−3a−1⋅xsinx⋅g′(x)sinx+g(x)cosxxg(x)=0=41
이 되어 모순이다.
따라서 f(0)=0이다.
ii) f(0)=0일 때
f(x)=(x−1)3x이다.
x에 대해 미분하면 f′(x)=3(x−1)2x+(x−1)3이므로
f(x)f′(x)=(x−1)3x3(x−1)2x+(x−1)3=x(x−1)4x−1이다.
위의 식을 ①에 대입하면
x→0limG′(x)F′(x)=x→0limx(x−1){g′(x)sinx+g(x)cosx}(4x−1)g(x)sinx
=x→0limx−14x−1⋅xsinx⋅g′(x)sinx+g(x)cosxg(x)=41
에서 g(0)=0이다.
g(x)=xk(x)라 하면 g′(x)=k(x)+xk′(x)이므로
x→0limG′(x)F′(x)
=x→0limx−14x−1⋅xsinx⋅{k(x)+xk′(x)}sinx+xk(x)cosxxk(x)=41
에서 k(0)=0이다.
따라서 g(x)=xmp(x)(m≥2인자연수)라 하면
g′(x)=mxm−1p(x)+xmp′(x)이므로
x→0limG′(x)F′(x)=x→0limx−14x−1⋅xsinx⋅{mxm−1p(x)+xmp′(x)}sinx+xmp(x)cosxxmp(x)
=x→0limx−14x−1⋅xsinx⋅{mxm−1p(x)+xmp′(x)}xsinx+xm−1p(x)cosxxm−1p(x)
=1⋅1⋅m+11=m+11
이므로 조건으로부터 m=3이다.
따라서 g(x)=x3이다.
그러므로 f(3)+g(3)=3⋅23+33=51이다.