수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

약학과 3번

문제

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+50점 · 각 범위에 맞는 x\displaystyle x에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 값을 극한을 이용하여 계산한다.

각 범위에 맞는 x\displaystyle x에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 값을 극한을 이용하여 다음과 같이 계산한다.(i) x>1\displaystyle x>1이면,f(x)=limn(3aex+1x2n3x2n+1+2(x2n1+x2n2++x+1)2x2n+1)=limn(aex+11+13x2n+1x+1x2++1x2n1+12x2n)=aex+1+limnk=12n1xk=aex+1+1x1\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\lim_{n\to\infty}\left(\frac{3ae^{x+1}x^{2n}}{3x^{2n}+1}+\frac{2(x^{2n-1}+x^{2n-2}+\cdots+x+1)}{2x^{2n}+1}\right)\\&=\lim_{n\to\infty}\left(\frac{ae^{x+1}}{1+\frac1{3x^{2n}}}+\frac{\frac1x+\frac1{x^2}+\cdots+\frac1{x^{2n}}}{1+\frac1{2x^{2n}}}\right)\\&=ae^{x+1}+\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{2n}\frac1{x^k}=ae^{x+1}+\frac1{x-1}\end{aligned}즉, f(x)=aex+1+1x1(x>1)\displaystyle f(x)=ae^{x+1}+\frac1{x-1}\quad(x>1)이다.(ii) x<1\displaystyle |x|<1이면,f(x)=limn(3aex+1x2n3x2n+1+2(x2n1+x2n2++x+1)2x2n+1)=limn2(x2n1)(2x2n+1)(x1)=21x.\displaystyle f(x)=\lim_{n\to\infty}\left(\frac{3ae^{x+1}x^{2n}}{3x^{2n}+1}+\frac{2(x^{2n-1}+x^{2n-2}+\cdots+x+1)}{2x^{2n}+1}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{2(x^{2n}-1)}{(2x^{2n}+1)(x-1)}=\frac2{1-x}.(iii) x=1\displaystyle x=-1일 경우에는 f(1)=34a\displaystyle f(-1)=\frac34a이다.(i), (ii), (iii)을 종합하면, 제시문 (ㄴ)의 (가) 조건에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=-1에서 연속이므로limx1+f(x)=1,  limx1f(x)=a+b,  f(1)=34a\displaystyle \lim_{x\to-1+}f(x)=1,\;\lim_{x\to-1-}f(x)=a+b,\;f(-1)=\frac34a의 값이 일치하고, a=43,  b=13\displaystyle a=\frac43,\;b=-\frac13이다. (나) 조건에서는 x\displaystyle x1\displaystyle -1부터 1\displaystyle 1까지 변할 때 f(x)\displaystyle f(x)의 평균변화율이 12\displaystyle \frac12이므로 c=2\displaystyle c=2이다.

+30점 · 1<p2\displaystyle 1<p\leq2이면 집합 A\displaystyle A에 속한다.

(1) p>1\displaystyle p>1일 때, 1\displaystyle 1p\displaystyle p 사이의 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=43ex+1+1x1\displaystyle f(x)=\frac43e^{x+1}+\frac1{x-1}이다.(1,f(1))\displaystyle (1,f(1))에서 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)에 그은 접선의 접점을 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))라 하면 접선의 방정식은 y=(43et+11(t1)2)(xt)+43et+1+1t1\displaystyle y=\left(\frac43e^{t+1}-\frac1{(t-1)^2}\right)(x-t)+\frac43e^{t+1}+\frac1{t-1}이고 2=43(2t)et+1+2t1\displaystyle 2=\frac43(2-t)e^{t+1}+\frac2{t-1}이므로 정리하면 (43et+1+2t1)(2t)=0\displaystyle \left(\frac43e^{t+1}+\frac2{t-1}\right)(2-t)=0, 즉 t=2\displaystyle t=2이다. 이때, f(x)=43ex+1+2(x1)3>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac43e^{x+1}+\frac2{(x-1)^3}>0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 증가함수이다.이제 점 (1,f(1))\displaystyle (1,f(1))부터 (p,f(p))\displaystyle (p,f(p))까지 선분을 그려보면 그래프의 개형으로부터 p2\displaystyle p\leq2인 경우 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 두 끝점에서만 만나고, p>2\displaystyle p>2인 경우 교점이 하나 더 존재하게 되므로 1\displaystyle 12\displaystyle 2 사이의 값 q\displaystyle q에 대해 (q,f(q))\displaystyle (q,f(q))에서도 만난다. 즉, p>2\displaystyle p>2이면 평균값정리에 의해 q\displaystyle qp\displaystyle p사이에 f(p)f(1)p1=f(p)f(q)pq=f(r)\displaystyle \frac{f(p)-f(1)}{p-1}=\frac{f(p)-f(q)}{p-q}=f^{\prime}(r)을 만족시키는 r\displaystyle r이 있으므로 p>2\displaystyle p>2이면 집합 A\displaystyle A에 속할 수 없다. 반대로 두 끝점에서만 만날 경우 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 증가하므로 f(r)\displaystyle f^{\prime}(r)은 선분의 기울기보다 항상 작게 되고, 1<p2\displaystyle 1<p\leq2이면 집합 A\displaystyle A에 속한다.

+30점 · 1p<1\displaystyle -1\leq p<1이면 A\displaystyle A에 속한다.

(2) 1p<1\displaystyle -1\leq p<1일 때, 함수 y=21x\displaystyle y=\frac2{1-x}x=1\displaystyle x=-1에서의 미분계수가 12\displaystyle \frac12이고 증가함수이다. 따라서 두 점 (1,1)\displaystyle (-1,1)(1,2)\displaystyle (1,2)를 지나는 직선은 함수 y=21x\displaystyle y=\frac2{1-x}x=1\displaystyle x=-1에서 접한다. 즉, x\displaystyle xp\displaystyle p부터 1\displaystyle 1까지 변할 때 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 평균변화율은 12\displaystyle \frac12이하이다. p\displaystyle p1\displaystyle 1사이의 r\displaystyle rf(r)>12\displaystyle f^{\prime}(r)>\frac12이므로 평균변화율과 f(r)\displaystyle f^{\prime}(r)이 일치할 수 없다. 즉, 1p<1\displaystyle -1\leq p<1이면 A\displaystyle A에 속한다.

+30점 · 1192p<1\displaystyle -1-\frac{\sqrt{19}}2\leq p<-1인 경우에는 A\displaystyle A에 속한다.

(3) p<1\displaystyle p<-1일 때, p\displaystyle p1\displaystyle 1 사이의 r\displaystyle r에 대하여 가능한 모든 limxr+f(x)f(r)xr\displaystyle \lim_{x\to r+}\frac{f(x)-f(r)}{x-r}의 값을 생각해보면limxf(x)=,limx1f(x)=83,limx1+f(x)=12,limx1f(r)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f^{\prime}(x)=-\infty,\quad\lim_{x\to-1-}f^{\prime}(x)=-\frac83,\quad\lim_{x\to-1+}f^{\prime}(x)=\frac12,\quad\lim_{x\to1-}f^{\prime}(r)=\infty이고 limxr+f(x)f(r)xr\displaystyle \lim_{x\to r+}\frac{f(x)-f(r)}{x-r}r\displaystyle r이 커짐에 따라 항상 증가하므로 83\displaystyle -\frac83이상 12\displaystyle \frac12미만의 평균변화율은 limxr+f(x)f(r)xr\displaystyle \lim_{x\to r+}\frac{f(x)-f(r)}{x-r}과 일치할 수 없다. 먼저, f(p)>1\displaystyle f(p)>1이므로 평균변화율은 모두 12\displaystyle \frac12미만이다. 점 (1,f(1))\displaystyle (1,f(1))에서 기울기 83\displaystyle -\frac83에 해당하는 직선 y=83(x1)+2\displaystyle y=-\frac83(x-1)+2와 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점을 (s,f(s))\displaystyle (s,f(s))라 하면 43s213=83(s1)+2\displaystyle \frac43s^2-\frac13=-\frac83(s-1)+2이므로 4s2+8s15=0\displaystyle 4s^2+8s-15=0이고, s<1\displaystyle s<-1인 범위에서는 s=1192\displaystyle s=-1-\frac{\sqrt{19}}2이다. 따라서 1192p<1\displaystyle -1-\frac{\sqrt{19}}2\leq p<-1인 경우에는 A\displaystyle A에 속한다.Correction. 이 극한은 limx1f(x)=\displaystyle \lim_{x\to1-}f^{\prime}(x)=\infty이다. 원문의 f(r)\displaystyle f^{\prime}(r)은 극한의 변수 x\displaystyle x와 다른 문자를 쓴 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+30점 · p<1192\displaystyle p<-1-\frac{\sqrt{19}}2이면 A\displaystyle A에 속하지 않는다.

p<1192\displaystyle p<-1-\frac{\sqrt{19}}2이면 f(1)f(p)1p<83\displaystyle \frac{f(1)-f(p)}{1-p}<-\frac83이고, 그래프의 개형에 따르면 f(p)<f(1)f(p)1p\displaystyle f^{\prime}(p)<\frac{f(1)-f(p)}{1-p}이다. 이때, 함수 g(x)=43x213\displaystyle g(x)=\frac43x^2-\frac13에 대하여 g(p)=f(p)\displaystyle g^{\prime}(p)=f^{\prime}(p)이고 g(1)=83,  g(x)\displaystyle g^{\prime}(-1)=-\frac83,\;g^{\prime}(x)는 연속이므로 사잇값의 정리에 따르면 p\displaystyle p1\displaystyle -1사이에 f(r)=g(r)=f(1)f(p)1p\displaystyle f^{\prime}(r)=g^{\prime}(r)=\frac{f(1)-f(p)}{1-p}r\displaystyle r이 존재하며, 따라서 p\displaystyle pA\displaystyle A에 속하지 않는다.

+30점 · A={p1192p<1,  1<p2}\displaystyle A=\left\{p\mid-1-\frac{\sqrt{19}}2\leq p<1,\;1<p\leq2\right\}이다.

(1), (2)를 종합하면 A={p1192p<1,  1<p2}\displaystyle A=\left\{p\mid-1-\frac{\sqrt{19}}2\leq p<1,\;1<p\leq2\right\}이다.

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