수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2-2번

문제

[문제 2] 다음을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

● 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하고 x=a\displaystyle x=a에서 극값을 가지면 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이다.

● 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x) 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|dx

[문제 2-2] 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서f(x)=xsin⁡(πx)\displaystyle f(x)=x\sin(\pi x)이고,모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=2f(x−2)\displaystyle f(x)=2f(x-2)를 만족한다. 이때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=21012(x−2026)\displaystyle y=2^{1012}(x-2026) 및 두 직선 x=2026\displaystyle x=2026, x=2027\displaystyle x=2027로 둘러싸인 도형의 넓이는 유리수 p\displaystyle p, q\displaystyle q, r\displaystyle r에 대하여 21012(p+qπ+r3π)\displaystyle 2^{1012}\left(p+\frac q\pi+\frac{r\sqrt3}{\pi}\right)이다. 유리수 p\displaystyle p, q\displaystyle q, r\displaystyle r을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[문제 2-2]

+5점 · 구간 [2026,2028]\displaystyle [2026,2028]에서 f(x)=21013(x−2026)sin⁡π(x−2026)\displaystyle f(x)=2^{1013}(x-2026)\sin\pi(x-2026)를 얻으면

주어진 식에 의하여 구간 [2026,2028]\displaystyle [2026,2028]에서 f(x)=21013(x−2026)sin⁡π(x−2026)\displaystyle f(x)=2^{1013}(x-2026)\sin\pi(x-2026)이다.

따라서, 구하는 넓이 S\displaystyle S는S=∫20262027∣21012(x−2026)−21013(x−2026)sin⁡π(x−2026)∣dx=∫01∣21012x−21013xsin⁡πx∣dx\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_{2026}^{2027}|2^{1012}(x-2026)-2^{1013}(x-2026)\sin\pi(x-2026)|dx\\&=\int_0^1|2^{1012}x-2^{1013}x\sin\pi x|dx\end{aligned}이다.

+5점 · 부호가 바뀌는 점 x=16\displaystyle x=\frac16, 56\displaystyle \frac56을 얻고 구간을 나누어 S\displaystyle S를 (*)와 같이 얻으면

절댓값 함수의 부호가 바뀌는 점은 sin⁡πx=12\displaystyle \sin\pi x=\frac12이므로, x=16\displaystyle x=\frac16, 56\displaystyle \frac56이다.따라서, S=21012(∫016(x−2xsin⁡πx)dx+∫561(x−2xsin⁡πx)dx+∫1656(2xsin⁡πx−x)dx)\displaystyle S=2^{1012}\left(\int_0^{\frac16}(x-2x\sin\pi x)dx+\int_{\frac56}^1(x-2x\sin\pi x)dx+\int_{\frac16}^{\frac56}(2x\sin\pi x-x)dx\right) …(*)

+5점 · 적분 계산을 정확히 하여 p=−16\displaystyle p=-\frac16, q=−2\displaystyle q=-2, r=2\displaystyle r=2를 얻은 경우

부정적분 ∫xsin⁡πx dx=−1πxcos⁡πx+1π2sin⁡πx+C\displaystyle \int x\sin\pi x\,dx=-\frac1\pi x\cos\pi x+\frac1{\pi^2}\sin\pi x+C이고, 치환적분에 의해∫561(x−2xsin⁡πx)dx=∫016(1−x)−2(1−x)sin⁡πx dx\displaystyle \int_{\frac56}^1(x-2x\sin\pi x)dx=\int_0^{\frac16}(1-x)-2(1-x)\sin\pi x\,dx이므로,S=21012(∫0161−2sin⁡πx dx+∫16562xsin⁡πx−x dx)=21012{[x+2πcos⁡πx]016+[−2πxcos⁡πx+2π2sin⁡πx−x22]1656}=21012(16+3π−2π+3π−13)=21012(−16−2π+23π)\displaystyle \begin{aligned}S&=2^{1012}\left(\int_0^{\frac16}1-2\sin\pi x\,dx+\int_{\frac16}^{\frac56}2x\sin\pi x-x\,dx\right)\\&=2^{1012}\left\{\Biggl[x+\frac2\pi\cos\pi x\Biggr]_0^{\frac16}+\Biggl[-\frac2\pi x\cos\pi x+\frac2{\pi^2}\sin\pi x-\frac{x^2}2\Biggr]_{\frac16}^{\frac56}\right\}\\&=2^{1012}\left(\frac16+\frac{\sqrt3}\pi-\frac2\pi+\frac{\sqrt3}\pi-\frac13\right)=2^{1012}\left(-\frac16-\frac2\pi+\frac{2\sqrt3}\pi\right)\end{aligned}이다.따라서, p=−16\displaystyle p=-\frac16, q=−2\displaystyle q=-2, r=2\displaystyle r=2이다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 1~2점의 부분 점수를 부여함.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 –0.5~+0.5점 부여 가능함.

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