수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1교시 2-2번

문제

[문제 2] 다음을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

● 이차방정식 ax2+bx+c=0\displaystyle ax^2+bx+c=0의 두 근을 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta라고 하면 다음 식이 성립한다.α+β=−ba,αβ=ca\displaystyle \alpha+\beta=-\frac ba,\quad\alpha\beta=\frac ca

● 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 실수 a\displaystyle a에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 정의되어 있고 lim⁡x→af(x)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)가 존재하며 lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이라고 한다. 한편, 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 연속이 아닐 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 불연속이라고 한다.

[문제 2-2] 모든 실수 x\displaystyle x에서 미분가능한 함수f(x)={4sin⁡3x−3sin⁡x(x≥0)3π2x3+ax(x<0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}4\sin^3x-3\sin x&(x\ge0)\\\frac3{\pi^2}x^3+ax&(x<0)\end{cases} (단, a\displaystyle a는 실수)에 대하여 함수 g(k)\displaystyle g(k)는 −π≤x≤π\displaystyle -\pi\le x\le\pi에서 f(x)=k\displaystyle f(x)=k(단, k\displaystyle k는 실수)의 서로 다른 실근의 개수라 정의하자. 실수 a\displaystyle a의 값을 구하고, 함수 g(k)\displaystyle g(k)가 불연속인 실수 k\displaystyle k의 값을 모두 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[문제 2-2]

+3점 · a=−3\displaystyle a=-3을 구하면

x>0\displaystyle x>0일 때, f′(x)=3cos⁡x(4sin⁡2x−1)\displaystyle f^{\prime}(x)=3\cos x(4\sin^2x-1)x<0\displaystyle x<0일 때, f′(x)=9π2x2+a\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac9{\pi^2}x^2+af(x)\displaystyle f(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하므로, lim⁡h→0+f(h)−f(0)h=lim⁡h→0−f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{f(h)-f(0)}h=\lim_{h\to0-}\frac{f(h)-f(0)}h이다.따라서, a=−3\displaystyle a=-3이다.

(i) −π≤x<0\displaystyle -\pi\le x<0에서 f(x)=3π2x(x2−π2)\displaystyle f(x)=\frac3{\pi^2}x(x^2-\pi^2)이므로 f(−π)=0\displaystyle f(-\pi)=0f′(x)=9π2x2−3\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac9{\pi^2}x^2-3이므로 f′(−π3)=0\displaystyle f^{\prime}\left(-\frac\pi{\sqrt3}\right)=0이고 부호변화를 고려하면 극댓값 f(−π3)=2π3\displaystyle f\left(-\frac\pi{\sqrt3}\right)=\frac{2\pi}{\sqrt3}

(ii) 0≤x≤π\displaystyle 0\le x\le\pi에서 f(x)=sin⁡x(4sin⁡2x−3)\displaystyle f(x)=\sin x(4\sin^2x-3)이므로, f(0)=f(π3)=f(2π3)=f(π)=0\displaystyle f(0)=f\left(\frac\pi3\right)=f\left(\frac{2\pi}3\right)=f(\pi)=0f′(x)=3cos⁡x(4sin⁡2x−1)\displaystyle f^{\prime}(x)=3\cos x(4\sin^2x-1)이므로, f′(π6)=f′(π2)=f′(5π6)=0\displaystyle f^{\prime}\left(\frac\pi6\right)=f^{\prime}\left(\frac\pi2\right)=f^{\prime}\left(\frac{5\pi}6\right)=0이를 이용한 증가와 감소를 나타낸 표는 다음과 같다.

+7점 · 증가와 감소 표 혹은 그래프 개형 혹은 극점과 극값을 바르게 구하면
x\displaystyle x−π\displaystyle -\pi…−π3\displaystyle -\frac\pi{\sqrt3}…0…π6\displaystyle \frac\pi6…π3\displaystyle \frac\pi3…π2\displaystyle \frac\pi2…2π3\displaystyle \frac{2\pi}3…5π6\displaystyle \frac{5\pi}6…π\displaystyle \pi
f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)+0−−0++0−−0+
f(x)\displaystyle f(x)0↗23π\displaystyle \frac2{\sqrt3}\pi↘0↘−1↗0↗1↘0↘−1↗0

부호 변화를 고려한 극솟값은 f(π6)=f(5π6)=−1\displaystyle f\left(\frac\pi6\right)=f\left(\frac{5\pi}6\right)=-1, 극댓값은 f(π2)=1\displaystyle f\left(\frac\pi2\right)=1이다.이를 그래프로 그리면

함수 f(x)의 그래프
+5점 · 불연속인 k=−1,0,1,23π\displaystyle k=-1,0,1,\frac2{\sqrt3}\pi를 바르게 구하면

위 그래프의 개형으로부터 불연속인 k\displaystyle k는 다음과 같다.lim⁡k→−1−0g(k)=0\displaystyle \lim_{k\to-1-0}g(k)=0, lim⁡k→−1+0g(k)=4\displaystyle \lim_{k\to-1+0}g(k)=4, g(−1)=2\displaystyle g(-1)=2이므로 k=−1\displaystyle k=-1에서 불연속lim⁡k→0−g(k)=lim⁡k→0+g(k)=4\displaystyle \lim_{k\to0-}g(k)=\lim_{k\to0+}g(k)=4, g(0)=5\displaystyle g(0)=5이므로, k=0\displaystyle k=0에서 불연속lim⁡k→1−0g(k)=4\displaystyle \lim_{k\to1-0}g(k)=4, lim⁡k→1+0g(k)=2\displaystyle \lim_{k\to1+0}g(k)=2, g(1)=3\displaystyle g(1)=3이므로, k=1\displaystyle k=1에서 불연속lim⁡k→2π3−0g(k)=2\displaystyle \lim_{k\to\frac{2\pi}{\sqrt3}-0}g(k)=2, lim⁡k→2π3+0g(k)=0\displaystyle \lim_{k\to\frac{2\pi}{\sqrt3}+0}g(k)=0, g(2π3)=1\displaystyle g\left(\frac{2\pi}{\sqrt3}\right)=1이므로, k=23π\displaystyle k=\frac2{\sqrt3}\pi에서 불연속그러므로, 불연속인 k\displaystyle k는 −1,0,1,23π\displaystyle -1,0,1,\frac2{\sqrt3}\pi이다.

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

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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