수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2교시 2번

문제

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[문제 2-1]

+3점 · x=1,5\displaystyle x=1,5일 때 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0인 것을 확인하면

f(x)=(x2+5){12sin(πxx2+5)}\displaystyle f^{\prime}(x)=(x^2+5)\left\{1-2\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)\right\}이므로 f(x)\displaystyle f(x)πxx2+5=π6+2nπ\displaystyle \frac{\pi x}{x^2+5}=\frac\pi6+2n\pi, πxx2+5=5π6+2nπ\displaystyle \frac{\pi x}{x^2+5}=\frac{5\pi}6+2n\pi일 때, 극값을 가질 수 있다. 하지만 f(0)0\displaystyle f^{\prime}(0)\ne0이고, x0\displaystyle x\ne0일 때πxx2+5=πx+5xπ25<π4\displaystyle \left|\frac{\pi x}{x^2+5}\right|=\frac\pi{|x|+\frac5{|x|}}\le\frac\pi{2\sqrt5}<\frac\pi4이므로, πx5+x2=π6\displaystyle \frac{\pi x}{5+x^2}=\frac\pi6인 경우, 즉 x=1,5\displaystyle x=1,5일 때, 극값을 가진다.

+4점 · f(x)\displaystyle f(x)의 증가, 감소 구간을 조사하여 f(1)\displaystyle f(1)이 최대라는 것을 보이면

도함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 조사하기 위해, g(x)=12sin(πxx2+5)\displaystyle g(x)=1-2\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)라 정의하고 이 함수의 도함수 g(x)=2cos(πxx2+5)π(x25)(x2+5)2\displaystyle g^{\prime}(x)=2\cos\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)\frac{\pi(x^2-5)}{(x^2+5)^2}를 구한다. 이로부터 g(x)\displaystyle g(x)가 구간 (1,5)\displaystyle (-1,\sqrt5)에서 감소하고, 구간 (5,5)\displaystyle (\sqrt5,5)에서는 증가한다는 것을 알 수 있다. 그런데 g(1)=g(5)=0\displaystyle g(1)=g(5)=0이므로, 구간 (1,1)\displaystyle (-1,1)에서 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이고 f(x)\displaystyle f(x)는 증가하며, 구간 (1,5)\displaystyle (1,5)에서는 g(x)<0\displaystyle g(x)<0이고 f(x)\displaystyle f(x)는 감소한다. 따라서 x=1\displaystyle x=1일 때 f(x)\displaystyle f(x)는 최댓값을 가진다.

+3점 · f(1)=323\displaystyle f(1)=\frac{32}3를 구하면

마지막으로 (x2+5)sin(πxx2+5)\displaystyle (x^2+5)\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)의 그래프의 형태를 생각해보면 정적분 11(x2+5)sin(πxx2+5)dx=0\displaystyle \int_{-1}^1(x^2+5)\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)dx=0이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 최댓값은 f(1)=11(t2+5)dt=323\displaystyle f(1)=\int_{-1}^1(t^2+5)dt=\frac{32}3이다.

[문제 2-2]

+5점 · (dxdt)2+(dydt)2=sint(10sin2t)3(8+sin2t)\displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}=\frac{\sin t(10-\sin^2t)}{\sqrt3(8+\sin^2t)}를 구하면

x\displaystyle xy\displaystyle yt\displaystyle t에 대해 미분하여(dxdt)2+(dydt)2=(sint3)2+(23sintcost8+sin2t)2=sint3(8+sin2t)(8+sin2t)2+36cos2t=sint(10sin2t)3(8+sin2t)\displaystyle \begin{aligned}\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}&=\sqrt{\left(-\frac{\sin t}{\sqrt3}\right)^2+\left(\frac{2\sqrt3\sin t\cos t}{8+\sin^2t}\right)^2}\\&=\frac{\sin t}{\sqrt3(8+\sin^2t)}\sqrt{(8+\sin^2t)^2+36\cos^2t}=\frac{\sin t(10-\sin^2t)}{\sqrt3(8+\sin^2t)}\end{aligned}를 구한다.

+5점 · u=cost\displaystyle u=\cos t로 치환하여, 119+u23(9u2)du\displaystyle \int_{-1}^1\frac{9+u^2}{\sqrt3(9-u^2)}du를 구하면

따라서 u=cost\displaystyle u=\cos t로 치환하여,0π(dxdt)2+(dydt)2dt=0πsint(9+cos2t)3(9cos2t)dt=119+u23(9u2)du=23019+u29u2du\displaystyle \begin{aligned}\int_0^\pi\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}dt&=\int_0^\pi\frac{\sin t(9+\cos^2t)}{\sqrt3(9-\cos^2t)}dt=\int_{-1}^1\frac{9+u^2}{\sqrt3(9-u^2)}du\\&=\frac2{\sqrt3}\int_0^1\frac{9+u^2}{9-u^2}du\end{aligned}

+5점 · 정적분을 2301(1+33u+33+u)du\displaystyle \frac2{\sqrt3}\int_0^1\left(-1+\frac3{3-u}+\frac3{3+u}\right)du 형태로 정리한 후, 계산하여 정답 23(1+3ln2)\displaystyle \frac2{\sqrt3}(-1+3\ln2)를 얻으면

=2301(1+33u+33+u)du=23(1+3ln2)=23+23ln2\displaystyle =\frac2{\sqrt3}\int_0^1\left(-1+\frac3{3-u}+\frac3{3+u}\right)du=\frac2{\sqrt3}(-1+3\ln2)=-\frac2{\sqrt3}+2\sqrt3\ln2를 구한다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 부분 점수를 부여할 수 있습니다.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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