[문제 2-1]
+3점 · x = 1 , 5 \displaystyle x=1,5 x = 1 , 5 일 때 f ′ ( x ) = 0 \displaystyle f^{\prime}(x)=0 f ′ ( x ) = 0 인 것을 확인하면 f ′ ( x ) = ( x 2 + 5 ) { 1 − 2 sin ( π x x 2 + 5 ) } \displaystyle f^{\prime}(x)=(x^2+5)\left\{1-2\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)\right\} f ′ ( x ) = ( x 2 + 5 ) { 1 − 2 sin ( x 2 + 5 π x ) } 이므로 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 π x x 2 + 5 = π 6 + 2 n π \displaystyle \frac{\pi x}{x^2+5}=\frac\pi6+2n\pi x 2 + 5 π x = 6 π + 2 nπ , π x x 2 + 5 = 5 π 6 + 2 n π \displaystyle \frac{\pi x}{x^2+5}=\frac{5\pi}6+2n\pi x 2 + 5 π x = 6 5 π + 2 nπ 일 때, 극값을 가질 수 있다. 하지만 f ′ ( 0 ) ≠ 0 \displaystyle f^{\prime}(0)\ne0 f ′ ( 0 ) = 0 이고, x ≠ 0 \displaystyle x\ne0 x = 0 일 때∣ π x x 2 + 5 ∣ = π ∣ x ∣ + 5 ∣ x ∣ ≤ π 2 5 < π 4 \displaystyle \left|\frac{\pi x}{x^2+5}\right|=\frac\pi{|x|+\frac5{|x|}}\le\frac\pi{2\sqrt5}<\frac\pi4 x 2 + 5 π x = ∣ x ∣ + ∣ x ∣ 5 π ≤ 2 5 π < 4 π 이므로, π x 5 + x 2 = π 6 \displaystyle \frac{\pi x}{5+x^2}=\frac\pi6 5 + x 2 π x = 6 π 인 경우, 즉 x = 1 , 5 \displaystyle x=1,5 x = 1 , 5 일 때, 극값을 가진다.
+4점 · f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 증가, 감소 구간을 조사하여 f ( 1 ) \displaystyle f(1) f ( 1 ) 이 최대라는 것을 보이면 도함수 f ′ ( x ) \displaystyle f^{\prime}(x) f ′ ( x ) 의 부호를 조사하기 위해, g ( x ) = 1 − 2 sin ( π x x 2 + 5 ) \displaystyle g(x)=1-2\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right) g ( x ) = 1 − 2 sin ( x 2 + 5 π x ) 라 정의하고 이 함수의 도함수 g ′ ( x ) = 2 cos ( π x x 2 + 5 ) π ( x 2 − 5 ) ( x 2 + 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} g ′ ( x ) = 2 cos ( x 2 + 5 π x ) ( x 2 + 5 ) 2 π ( x 2 − 5 ) 를 구한다. 이로부터 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 가 구간 ( − 1 , 5 ) \displaystyle (-1,\sqrt5) ( − 1 , 5 ) 에서 감소하고, 구간 ( 5 , 5 ) \displaystyle (\sqrt5,5) ( 5 , 5 ) 에서는 증가한다는 것을 알 수 있다. 그런데 g ( 1 ) = g ( 5 ) = 0 \displaystyle g(1)=g(5)=0 g ( 1 ) = g ( 5 ) = 0 이므로, 구간 ( − 1 , 1 ) \displaystyle (-1,1) ( − 1 , 1 ) 에서 g ( x ) > 0 \displaystyle g(x)>0 g ( x ) > 0 이고 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 증가하며, 구간 ( 1 , 5 ) \displaystyle (1,5) ( 1 , 5 ) 에서는 g ( x ) < 0 \displaystyle g(x)<0 g ( x ) < 0 이고 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 감소한다. 따라서 x = 1 \displaystyle x=1 x = 1 일 때 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 는 최댓값을 가진다.
+3점 · f ( 1 ) = 32 3 \displaystyle f(1)=\frac{32}3 f ( 1 ) = 3 32 를 구하면 마지막으로 ( x 2 + 5 ) sin ( π x x 2 + 5 ) \displaystyle (x^2+5)\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right) ( x 2 + 5 ) sin ( x 2 + 5 π x ) 의 그래프의 형태를 생각해보면 정적분 ∫ − 1 1 ( x 2 + 5 ) sin ( π x x 2 + 5 ) d x = 0 \displaystyle \int_{-1}^1(x^2+5)\sin\left(\frac{\pi x}{x^2+5}\right)dx=0 ∫ − 1 1 ( x 2 + 5 ) sin ( x 2 + 5 π x ) d x = 0 이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 최댓값은 f ( 1 ) = ∫ − 1 1 ( t 2 + 5 ) d t = 32 3 \displaystyle f(1)=\int_{-1}^1(t^2+5)dt=\frac{32}3 f ( 1 ) = ∫ − 1 1 ( t 2 + 5 ) d t = 3 32 이다.
[문제 2-2]
+5점 · ( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 = sin t ( 10 − sin 2 t ) 3 ( 8 + sin 2 t ) \displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}=\frac{\sin t(10-\sin^2t)}{\sqrt3(8+\sin^2t)} ( d t d x ) 2 + ( d t d y ) 2 = 3 ( 8 + sin 2 t ) sin t ( 10 − sin 2 t ) 를 구하면 x \displaystyle x x 와 y \displaystyle y y 를 t \displaystyle t t 에 대해 미분하여( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 = ( − sin t 3 ) 2 + ( 2 3 sin t cos t 8 + sin 2 t ) 2 = sin t 3 ( 8 + sin 2 t ) ( 8 + sin 2 t ) 2 + 36 cos 2 t = sin t ( 10 − sin 2 t ) 3 ( 8 + sin 2 t ) \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} ( d t d x ) 2 + ( d t d y ) 2 = ( − 3 sin t ) 2 + ( 8 + sin 2 t 2 3 sin t cos t ) 2 = 3 ( 8 + sin 2 t ) sin t ( 8 + sin 2 t ) 2 + 36 cos 2 t = 3 ( 8 + sin 2 t ) sin t ( 10 − sin 2 t ) 를 구한다.
+5점 · u = cos t \displaystyle u=\cos t u = cos t 로 치환하여, ∫ − 1 1 9 + u 2 3 ( 9 − u 2 ) d u \displaystyle \int_{-1}^1\frac{9+u^2}{\sqrt3(9-u^2)}du ∫ − 1 1 3 ( 9 − u 2 ) 9 + u 2 d u 를 구하면 따라서 u = cos t \displaystyle u=\cos t u = cos t 로 치환하여, ∫ 0 π ( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 d t = ∫ 0 π sin t ( 9 + cos 2 t ) 3 ( 9 − cos 2 t ) d t = ∫ − 1 1 9 + u 2 3 ( 9 − u 2 ) d u = 2 3 ∫ 0 1 9 + u 2 9 − u 2 d u \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} ∫ 0 π ( d t d x ) 2 + ( d t d y ) 2 d t = ∫ 0 π 3 ( 9 − cos 2 t ) sin t ( 9 + cos 2 t ) d t = ∫ − 1 1 3 ( 9 − u 2 ) 9 + u 2 d u = 3 2 ∫ 0 1 9 − u 2 9 + u 2 d u
+5점 · 정적분을 2 3 ∫ 0 1 ( − 1 + 3 3 − u + 3 3 + u ) d u \displaystyle \frac2{\sqrt3}\int_0^1\left(-1+\frac3{3-u}+\frac3{3+u}\right)du 3 2 ∫ 0 1 ( − 1 + 3 − u 3 + 3 + u 3 ) d u 형태로 정리한 후, 계산하여 정답 2 3 ( − 1 + 3 ln 2 ) \displaystyle \frac2{\sqrt3}(-1+3\ln2) 3 2 ( − 1 + 3 ln 2 ) 를 얻으면 = 2 3 ∫ 0 1 ( − 1 + 3 3 − u + 3 3 + u ) d u = 2 3 ( − 1 + 3 ln 2 ) = − 2 3 + 2 3 ln 2 \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\ln2 = 3 2 ∫ 0 1 ( − 1 + 3 − u 3 + 3 + u 3 ) d u = 3 2 ( − 1 + 3 ln 2 ) = − 3 2 + 2 3 ln 2 를 구한다.
※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 부분 점수를 부여할 수 있습니다.
※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.