수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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+4점 · 제시문 (ㄱ)에서 주어진 함수 f(x)\displaystyle f(x)x\displaystyle x에 대하여 미분하면 다음과 같다. f(x)=3ax26ax+4a\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2-6ax+4a

제시문 (ㄱ)에서 주어진 함수 f(x)\displaystyle f(x)x\displaystyle x에 대하여 미분하면 다음과 같다.f(x)=3ax26ax+4a\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2-6ax+4a

+6점 · 도함수를 정리하면 다음과 같다. f(x)=3a(x22x+1+13)=3a((x1)2+13)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=3a\left(x^2-2x+1+\frac13\right)\\&=3a\left((x-1)^2+\frac13\right)\end{aligned}

도함수를 정리하면 다음과 같다.f(x)=3a(x22x+1+13)=3a((x1)2+13)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=3a\left(x^2-2x+1+\frac13\right)\\&=3a\left((x-1)^2+\frac13\right)\end{aligned}

+5점 · i) a>0\displaystyle a>0일 때 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 제시문 (ㄷ)에서 주어진 함수의 증가와 감소의 판정에 의해 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 증가한다.

i) a>0\displaystyle a>0일 때 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로제시문 (ㄷ)에서 주어진 함수의 증가와 감소의 판정에 의해함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 증가한다.

+5점 · ii) a<0\displaystyle a<0일 때 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 제시문 (ㄷ)에서 주어진 함수의 증가와 감소의 판정에 의해 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 감소한다.

ii) a<0\displaystyle a<0일 때 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로제시문 (ㄷ)에서 주어진 함수의 증가와 감소의 판정에 의해함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 감소한다.

+3점 · i) a=0\displaystyle a=0인 경우, 제시문 (ㄱ)에서 주어진 함수는 f(x)=b\displaystyle f(x)=-b가 되어 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 실근을 갖기 위해서는 b=0\displaystyle b=0이어야 한다. 따라서 (a,b)=(0,0)\displaystyle (a,b)=(0,0)이다.

i) a=0\displaystyle a=0인 경우,제시문 (ㄱ)에서 주어진 함수는 f(x)=b\displaystyle f(x)=-b가 되어 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 실근을 갖기 위해서는 b=0\displaystyle b=0이어야 한다. 따라서 (a,b)=(0,0)\displaystyle (a,b)=(0,0)이다.

+7점 · ii) a0\displaystyle a\ne0인 경우. 논제 1)에 의해서, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 증가(a>0\displaystyle a>0)하거나, 감소(a<0\displaystyle a<0)한다. 따라서 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 실수 전체에서 많아야 하나의 실근을 갖는다. 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 하나의 실근을 갖기 위해서는 f(0)=0\displaystyle f(0)=0또는 f(1)=0\displaystyle f(1)=0또는, 제시문 (ㄹ)의 사잇값 정리에 의해서, 다음의 식을 만족하여야 한다. f(0)f(1)=(a2b)(a2+2ab)<0\displaystyle f(0)f(1)=(a^2-b)(a^2+2a-b)<0 즉, {a2b0a2+2ab0또는{a2b0a2+2ab0\displaystyle \begin{cases}a^2-b\ge0\\a^2+2a-b\le0\end{cases}\quad\text{또는}\quad\begin{cases}a^2-b\le0\\a^2+2a-b\ge0\end{cases} 를 만족하여야 한다.

ii) a0\displaystyle a\ne0인 경우.논제 1)에 의해서, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체에서 증가(a>0\displaystyle a>0)하거나, 감소(a<0\displaystyle a<0)한다. 따라서 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 실수 전체에서 많아야 하나의 실근을 갖는다.방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 하나의 실근을 갖기 위해서는 f(0)=0\displaystyle f(0)=0또는 f(1)=0\displaystyle f(1)=0또는, 제시문 (ㄹ)의 사잇값 정리에 의해서, 다음의 식을 만족하여야 한다.f(0)f(1)=(a2b)(a2+2ab)<0\displaystyle f(0)f(1)=(a^2-b)(a^2+2a-b)<0즉,{a2b0a2+2ab0또는{a2b0a2+2ab0\displaystyle \begin{cases}a^2-b\ge0\\a^2+2a-b\le0\end{cases}\quad\text{또는}\quad\begin{cases}a^2-b\le0\\a^2+2a-b\ge0\end{cases}를 만족하여야 한다.

+5점 · i), ii)와 제시문 (ㄴ)의 조건 i)에 의해서, 제시문 (ㄴ)의 영역은 b=a2+2a,  b=a2,  a=±n\displaystyle b=a^2+2a,\;b=a^2,\;a=\pm\sqrt n으로 둘러싸인 영역이다. 넓이 An\displaystyle A_nAn=nn(a2+2a)a2da=40nada=2n\displaystyle A_n=\int_{-\sqrt n}^{\sqrt n}|(a^2+2a)-a^2|da=4\int_0^{\sqrt n}a\,da=2n이다.

i), ii)와 제시문 (ㄴ)의 조건 i)에 의해서, 제시문 (ㄴ)의 영역은 b=a2+2a,  b=a2,  a=±n\displaystyle b=a^2+2a,\;b=a^2,\;a=\pm\sqrt n으로 둘러싸인 영역이다. 넓이 An\displaystyle A_nAn=nn(a2+2a)a2da=40nada=2n\displaystyle A_n=\int_{-\sqrt n}^{\sqrt n}|(a^2+2a)-a^2|da=4\int_0^{\sqrt n}a\,da=2n이다.

+5점 · 위의 An\displaystyle A_n으로부터, n=1Ann+1=n=12nn+1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{A_n}{n+1}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2n}{n+1}이다. limn2nn+1=20\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2n}{n+1}=2\ne0이므로 급수 n=1Ann+1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{A_n}{n+1}은 발산한다.

위의 An\displaystyle A_n으로부터,n=1Ann+1=n=12nn+1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{A_n}{n+1}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2n}{n+1}이다.limn2nn+1=20\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2n}{n+1}=2\ne0이므로 급수 n=1Ann+1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{A_n}{n+1}은 발산한다.

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