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자연계열 2교시 2번

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문제

[문제 2] 다음을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

● 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)일 때 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta를 포함하는 구간에서 연속이면 다음 식이 성립한다.Caution. 치환적분에서는 치환함수의 전체 치역에서 연속 조건이 성립하는지 확인해야 한다: 제시문의 치환적분 공식을 적용하려면 함수 f\displaystyle f가 g([α,β])\displaystyle g([\alpha,\beta]) 전체에서 연속이어야 한다. g(t)\displaystyle g(t)가 두 끝값 a\displaystyle a, b\displaystyle b 사이를 벗어날 수도 있으므로, 두 끝값 사이에서의 연속성만으로는 충분하지 않다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.∫abf(x)dx=∫αβf(g(t))g′(t)dt\displaystyle \int_a^b f(x)dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g^{\prime}(t)dt

● 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 점 P(a,f(a))\displaystyle \mathrm P(a,f(a))에서의 접선의 방정식은 다음과 같다.y−f(a)=f′(a)(x−a)\displaystyle y-f(a)=f^{\prime}(a)(x-a)

● 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능하고, f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x), g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때 다음 식이 성립한다.∫abf(x)g′(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x)dx\displaystyle \int_a^b f(x)g^{\prime}(x)dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b f^{\prime}(x)g(x)dx

[문제 2-1] 모든 항이 자연수인 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여an+1={3(an+2)(an을 3으로 나눈 나머지가 1인 경우)3(an+1)(an을 3으로 나눈 나머지가 2인 경우)13an(an이 3의 배수인 경우)\displaystyle a_{n+1}=\begin{cases}3(a_n+2)&(a_n\text{을 3으로 나눈 나머지가 1인 경우})\\[0.6em]3(a_n+1)&(a_n\text{을 3으로 나눈 나머지가 2인 경우})\\[0.6em]\dfrac{1}{3}a_n&(a_n\text{이 3의 배수인 경우})\end{cases}를 만족시킨다. 집합 A={an∣n은 자연수}\displaystyle A=\{a_n\mid n\text{은 자연수}\}의 원소의 개수가 5가 되도록 하는 a1\displaystyle a_1을 모두 구하시오. [10점]

[문제 2-2] 실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 ∫0xuf′(x−u)du=−xe−x+x2+ax\displaystyle \int_0^x uf^{\prime}(x-u)du=-xe^{-x}+x^2+ax (단, a\displaystyle a는 실수)를 만족시킨다. 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 y\displaystyle y절편을 g(t)\displaystyle g(t)라 할 때, ∫ln⁡2ln⁡4g(t)dt=4ln⁡2−12(ln⁡2)2\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln4}g(t)dt=4\ln2-\frac12(\ln2)^2이다. 실수 a\displaystyle a의 값과 g(t)\displaystyle g(t)의 극댓값과 극솟값을 구하시오. [15점]

[문제 2-1]

+4점 · 9→3→1→9→3→\displaystyle 9\to3\to1\to9\to3\to과 같이 9, 3, 1이 반복되는 것을 찾으면

집합 A\displaystyle A의 원소의 개수가 5이므로 {an}\displaystyle \{a_n\}의 어느 항 이후 수열의 항들이 반복되어야 하고 반복되는 서로 다른 수는 많아야 5개이다.n(A)=5\displaystyle n(A)=5를 만족하는 수열의 어느 항 이후 반복될 부분 5개를 생각해보자.α→β→γ→δ→η\displaystyle \alpha\to\beta\to\gamma\to\delta\to\eta (am=α,  am+1=β,  am+2=γ,  am+3=δ,  am+4=η)\displaystyle (a_m=\alpha,\;a_{m+1}=\beta,\;a_{m+2}=\gamma,\;a_{m+3}=\delta,\;a_{m+4}=\eta)

모든 수가 3의 배수이면 계속 감소하므로 적어도 하나는 3의 배수가 아니고 α\displaystyle \alpha가 3의 배수가 아니라고 가정해도 무방하다.α=3k+1\displaystyle \alpha=3k+1 또는 3k+2\displaystyle 3k+2 (k\displaystyle k는 0이상인 정수)라면 β=9(k+1)\displaystyle \beta=9(k+1), γ=3(k+1)\displaystyle \gamma=3(k+1), δ=k+1\displaystyle \delta=k+1이고, η=13(k+1)\displaystyle \eta=\frac13(k+1) (k+1\displaystyle k+1이 3의 배수인 경우) 또는 η=3(k+2)\displaystyle \eta=3(k+2)(k\displaystyle k가 3으로 나누었을 때 나머지가 1인 경우) 또는 η=3(k+3)\displaystyle \eta=3(k+3) (k\displaystyle k가 3의 배수인 경우)이다.

(i) β=α\displaystyle \beta=\alpha인 경우는 수열의 정의에서 가능하지 않다.(ii) γ=α\displaystyle \gamma=\alpha인 경우는 3(k+1)=3k+1\displaystyle 3(k+1)=3k+1 또는 3(k+1)=3k+2\displaystyle 3(k+1)=3k+2인데 이를 만족하는 정수 k\displaystyle k는 없다.

(iii) α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta, γ\displaystyle \gamma가 다른 수이고 δ=α\displaystyle \delta=\alpha인 경우는 k+1=3k+1\displaystyle k+1=3k+1 또는 k+1=3k+2\displaystyle k+1=3k+2인데 이를 만족하는 k=0\displaystyle k=0, α=1\displaystyle \alpha=1이다. 그러므로, 1→9→3→1→9→3→1→…\displaystyle 1\to9\to3\to1\to9\to3\to1\to\ldots처럼 반복가능하다.

+3점 · 1, 3, 9를 제외하고 반복되는 다른 경우가 없음을 보이면

(iv) α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta, γ\displaystyle \gamma, δ\displaystyle \delta가 다른 수이고 η=α\displaystyle \eta=\alpha인 경우는 3k+1=13(k+1)\displaystyle 3k+1=\frac13(k+1) 또는 3(k+2)\displaystyle 3(k+2) 또는 3(k+3)\displaystyle 3(k+3)이거나 3k+2=13(k+1)\displaystyle 3k+2=\frac13(k+1) 또는 3(k+2)\displaystyle 3(k+2) 또는 3(k+3)\displaystyle 3(k+3)인데 이를 만족하는 양의 정수 k\displaystyle k는 존재하지 않는다.

(v) α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta, γ\displaystyle \gamma, δ\displaystyle \delta, η\displaystyle \eta가 모두 다른 수이고 η\displaystyle \eta 다음에 α\displaystyle \alpha가 오는 경우(η,α)=(13(k+1),19(k+1)),  (13(k+1),k+4),  (13(k+1),k+7),  (3(k+2),k+2),  (3(k+3),k+3)\displaystyle (\eta,\alpha)=\left(\frac13(k+1),\frac19(k+1)\right),\;\left(\frac13(k+1),k+4\right),\;\left(\frac13(k+1),k+7\right),\;(3(k+2),k+2),\;(3(k+3),k+3)인데,(앞의 3경우는 k\displaystyle k가 3으로 나누었을 때, 나머지가 2인 경우, 뒤의 두 경우는 각각 k\displaystyle k가 3으로 나누었을 때 나머지가 1인 경우와 3의 배수인 경우) α≠1\displaystyle \alpha\ne1이면서 가능한 k\displaystyle k는 존재하지 않는다.

따라서, n(A)=5\displaystyle n(A)=5인 경우는 a1\displaystyle a_1, a2\displaystyle a_2가 9, 3, 1과 다른 자연수로 a3\displaystyle a_3이후 9, 3, 1이 반복되는 경우이다.

+3점 · a1=6,7,8,81\displaystyle a_1=6,7,8,81를 얻으면

a3=1,3\displaystyle a_3=1,3이 되는 경우 a2\displaystyle a_2는 각각 3, 9만 가능한데 이는 다른 수가 아니므로, 가능한 경우는 a3=9\displaystyle a_3=9뿐이다.

a3=9\displaystyle a_3=9인 경우 a2=1,2,27\displaystyle a_2=1,2,27이 가능하고 이 중 1이 아닌 경우는 2, 27이다.

• a2=2\displaystyle a_2=2인 경우 a1=6\displaystyle a_1=6

• a2=27\displaystyle a_2=27인 경우 13a1=27\displaystyle \frac13a_1=27 혹은 3(a1+1)=27\displaystyle 3(a_1+1)=27 혹은 3(a1+2)=27\displaystyle 3(a_1+2)=27이므로, a1=81,8,7\displaystyle a_1=81,8,7

그러므로, 가능한 a1=6,7,8,81\displaystyle a_1=6,7,8,81이다.

[문제 2-2]

+3점 · ∫0xf(t)dt=−xe−x+x2+ax+xf(0)\displaystyle \int_0^x f(t)dt=-xe^{-x}+x^2+ax+xf(0) 혹은 f(x)=(x−1)e−x+2x+f(0)+a\displaystyle f(x)=(x-1)e^{-x}+2x+f(0)+a를 구하면

x−u=t\displaystyle x-u=t라 치환하면 ∫0xuf′(x−u)du=−∫x0(x−t)f′(t)dt=∫0x(x−t)f′(t)dt\displaystyle \int_0^x uf^{\prime}(x-u)du=-\int_x^0(x-t)f^{\prime}(t)dt=\int_0^x(x-t)f^{\prime}(t)dt이다.제시문의 부분적분을 적용하면∫0x(x−t)f′(t)dt=x∫0xf′(t)dt−∫0xtf′(t)dt=x(f(x)−f(0))−[tf(t)]0x+∫0xf(t)dt=∫0xf(t)dt−xf(0)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^x(x-t)f^{\prime}(t)dt&=x\int_0^x f^{\prime}(t)dt-\int_0^x tf^{\prime}(t)dt\\&=x(f(x)-f(0))-\Biggl[tf(t)\Biggr]_0^x+\int_0^x f(t)dt=\int_0^x f(t)dt-xf(0)\end{aligned}를 얻는다.

주어진 식에 의하여 ∫0xf(t)dt=−xe−x+x2+ax+xf(0)\displaystyle \int_0^x f(t)dt=-xe^{-x}+x^2+ax+xf(0)이고 양변을 미분하면f(x)=(x−1)e−x+2x+f(0)+a\displaystyle f(x)=(x-1)e^{-x}+2x+f(0)+a

+2점 · a=1\displaystyle a=1을 구하면

위 식의 양변에 x=0\displaystyle x=0을 대입하면 a=1\displaystyle a=1이다.

+3점 · 접선의 방정식에 대입하여 g(t)=(t2−t−1)e−t+1+f(0)\displaystyle g(t)=(t^2-t-1)e^{-t}+1+f(0)를 얻으면

따라서, f(x)=(x−1)e−x+2x+1+f(0)\displaystyle f(x)=(x-1)e^{-x}+2x+1+f(0)이고, f′(x)=(2−x)e−x+2\displaystyle f^{\prime}(x)=(2-x)e^{-x}+2이다.이를 이용하면 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 방정식은y=((2−t)e−t+2)(x−t)+(t−1)e−t+2t+1+f(0)\displaystyle y=((2-t)e^{-t}+2)(x-t)+(t-1)e^{-t}+2t+1+f(0)이고 g(t)=(t2−t−1)e−t+1+f(0)\displaystyle g(t)=(t^2-t-1)e^{-t}+1+f(0)이다.

+4점 · 정적분을 계산하여 f(0)=3\displaystyle f(0)=3을 얻으면

∫ln⁡2ln⁡4g(t)dt=∫ln⁡2ln⁡4(t2−t−1)e−t+(1+f(0))dt\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln4}g(t)dt=\int_{\ln2}^{\ln4}(t^2-t-1)e^{-t}+(1+f(0))dt∫ln⁡2ln⁡4t2e−tdt=[−t2e−t]ln⁡22ln⁡2+2∫ln⁡22ln⁡2te−tdt=[−t2e−t−2te−t−2e−t]ln⁡2ln⁡4=−12(ln⁡2)2+12\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln4}t^2e^{-t}dt=\Biggl[-t^2e^{-t}\Biggr]_{\ln2}^{2\ln2}+2\int_{\ln2}^{2\ln2}te^{-t}dt=\Biggl[-t^2e^{-t}-2te^{-t}-2e^{-t}\Biggr]_{\ln2}^{\ln4}=-\frac12(\ln2)^2+\frac12,−∫ln⁡2ln⁡4te−tdt=[(t+1)e−t]ln⁡2ln⁡4=−14\displaystyle -\int_{\ln2}^{\ln4}te^{-t}dt=\Biggl[(t+1)e^{-t}\Biggr]_{\ln2}^{\ln4}=-\frac14, −∫ln⁡2ln⁡4e−tdt=[e−t]ln⁡2ln⁡4=−14\displaystyle -\int_{\ln2}^{\ln4}e^{-t}dt=\Biggl[e^{-t}\Biggr]_{\ln2}^{\ln4}=-\frac14이다.

따라서, ∫ln⁡2ln⁡4(t2−t−1)e−t+(1+f(0))dt=−12(ln⁡2)2+(f(0)+1)ln⁡2\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln4}(t^2-t-1)e^{-t}+(1+f(0))dt=-\frac12(\ln2)^2+(f(0)+1)\ln2이고, 문제의 조건에 의해 f(0)=3\displaystyle f(0)=3이다.

+3점 · t=0\displaystyle t=0에서 극솟값 g(0)=3\displaystyle g(0)=3, t=3\displaystyle t=3에서 극댓값 g(3)=5e−3+4\displaystyle g(3)=5e^{-3}+4를 얻으면

g(t)=(t2−t−1)e−t+4\displaystyle g(t)=(t^2-t-1)e^{-t}+4, g′(t)=(−t2+3t)e−t\displaystyle g^{\prime}(t)=(-t^2+3t)e^{-t}이므로 t=0,3\displaystyle t=0,3에서 극값을 갖는다.t<0\displaystyle t<0인 경우 g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0, 0<t<3\displaystyle 0<t<3인 경우 g′(t)>0\displaystyle g^{\prime}(t)>0, t>3\displaystyle t>3인 경우 g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0이므로, t=0\displaystyle t=0에서 극솟값 g(0)=3\displaystyle g(0)=3와 t=3\displaystyle t=3에서 극댓값 g(3)=5e−3+4\displaystyle g(3)=5e^{-3}+4를 갖는다.

QtA. t=0,3\displaystyle t=0,3에서 극값을 갖는 이유?곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서 그은 접선은y=f′(t)(x−t)+f(t)\displaystyle y=f^{\prime}(t)(x-t)+f(t)이므로 접선의 y\displaystyle y절편은 g(t)=f(t)−tf′(t)\displaystyle g(t)=f(t)-tf^{\prime}(t)이다. 따라서g′(t)=f′(t)−(f′(t)+tf′′(t))=−tf′′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)=f^{\prime}(t)-\left(f^{\prime}(t)+tf^{\prime\prime}(t)\right)=-tf^{\prime\prime}(t)g′(t)=0⟺t=0또는f′′(t)=0\displaystyle g^{\prime}(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad t=0\quad\text{또는}\quad f^{\prime\prime}(t)=0이다. 즉, 접선의 y\displaystyle y절편이 극값을 가질 후보는접점이 y\displaystyle y축 위에 놓이는 t=0\displaystyle t=0일 때와 접점이 곡선의 변곡점을 지나는 f′′(t)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=0일 때 생긴다.마찬가지로 f′(t)≠0\displaystyle f^{\prime}(t)\ne0일 때 접선의 x\displaystyle x절편을 h(t)\displaystyle h(t)라 하면h(t)=t−f(t)f′(t)\displaystyle h(t)=t-\frac{f(t)}{f^{\prime}(t)}이고,h′(t)=1−(f′(t))2−f(t)f′′(t)(f′(t))2=f(t)f′′(t)(f′(t))2\displaystyle h^{\prime}(t)=1-\frac{\left(f^{\prime}(t)\right)^2-f(t)f^{\prime\prime}(t)}{\left(f^{\prime}(t)\right)^2}=\frac{f(t)f^{\prime\prime}(t)}{\left(f^{\prime}(t)\right)^2}이므로h′(t)=0⟺f(t)=0또는f′′(t)=0\displaystyle h^{\prime}(t)=0\quad\Longleftrightarrow\quad f(t)=0\quad\text{또는}\quad f^{\prime\prime}(t)=0이다. 따라서 접선의 x\displaystyle x절편이 극값을 가질 후보는접점이 x\displaystyle x축 위에 놓일 때와 접점이 변곡점을 지날 때 생긴다.두 절편 모두 실제로 극값을 갖는지는 도함수의 부호 변화를 확인해야 한다.이 문제에서는 f′′(t)=(t−3)e−t\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=(t-3)e^{-t}이므로 t=3\displaystyle t=3이 변곡점의 x\displaystyle x좌표이고,g′(t)=−t(t−3)e−t=t(3−t)e−t\displaystyle g^{\prime}(t)=-t(t-3)e^{-t}=t(3-t)e^{-t}이다. e−t>0\displaystyle e^{-t}>0이므로 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)의 부호는 t=0\displaystyle t=0에서 음에서 양으로, t=3\displaystyle t=3에서 양에서 음으로 바뀐다.따라서 접점이 y\displaystyle y축을 지날 때 g(t)\displaystyle g(t)는 극소, 변곡점을 지날 때 g(t)\displaystyle g(t)는 극대가 된다.

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

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 ±1점을 부여할 수 있습니다.

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