수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제2] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (40점)

좌표평면 위에 직선 l:2x+2y−2=0\displaystyle l:2x+2y-\sqrt2=0이 원 x2+y2=1\displaystyle x^2+y^2=1과 만나는 점을 각각 A\displaystyle \mathrm A, B\displaystyle \mathrm B라 하자. 원x2+y2=1\displaystyle x^2+y^2=1 위의 점 P\displaystyle \mathrm P의 동경이 θ\displaystyle \theta(라디안)라 할 때, △PAB\displaystyle \triangle\mathrm{PAB}의 넓이를 sθ\displaystyle s_{\theta}라 하자. θ (0≤θ≤2π)\displaystyle \theta\,(0\le\theta\le2\pi)에대하여 집합 X(θ)\displaystyle X(\theta)를X(θ)={T∣T는 원 x2+y2=1 위의 점이고 △TAB의 넓이는 sθ이다}\displaystyle X(\theta)=\{\mathrm T\mid\mathrm T\text{는 원 }x^2+y^2=1\text{ 위의 점이고 }\triangle\mathrm{TAB}\text{의 넓이는 }s_{\theta}\text{이다}\}로 정의하자(단, 좌표평면에서 동경의 시초선은 x\displaystyle x축의 양의 방향이다).

단위원과 직선 l 및 삼각형 PAB

(가) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 실수 a\displaystyle a에 대하여(ⅰ) f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 정의되어 있고,(ⅱ) x=a\displaystyle x=a에서의 우극한 lim⁡x→a+0f(x)\displaystyle \lim_{x\to a+0}f(x)와 좌극한 lim⁡x→a−0f(x)\displaystyle \lim_{x\to a-0}f(x)이 존재하고(ⅲ) lim⁡x→a+0f(x)=lim⁡x→a−0f(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a+0}f(x)=\lim_{x\to a-0}f(x)=f(a)일 때, f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이라 한다.

(나) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 실수 a\displaystyle a에 대하여, 함수 f(x)−f(a)x−a\displaystyle \frac{f(x)-f(a)}{x-a}의 x=a\displaystyle x=a에서 우극한과 좌극한이 존재하고 두 값이 같을 때, f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하다고 한다.

집합 X(x) (0≤x≤2π)\displaystyle X(x)\,(0\le x\le2\pi)의 원소의 개수를 f(x)\displaystyle f(x)라 하자(단, 점 A\displaystyle \mathrm A의 동경을 α\displaystyle \alpha, 점 B\displaystyle \mathrm B의 동경을 β\displaystyle \beta라 할때, f(α)=f(β)=4\displaystyle f(\alpha)=f(\beta)=4로 정의한다. 예를 들면, f(π)=2\displaystyle f(\pi)=2이다. [논제 1]과 [논제 2]에 대하여 답하시오.

[논제 1] 제시문의 (가)를 이용하여 열린 구간 (0,2π)\displaystyle (0,2\pi)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이 아닌 모든 x\displaystyle x의 값을 구하고, 함수 g(x)=[pf(x)]\displaystyle g(x)=[pf(x)]가 열린 구간 (0,2π)\displaystyle (0,2\pi)에서 연속이 되도록 하는 양의 실수 p\displaystyle p의 범위를 구하시오.(단, [x]\displaystyle [x]는 x\displaystyle x를 넘지 않는 최대의 정수이다.)(20점)

[논제 2] 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 이차함수 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여 함수 k(x)=h(x)f(x)\displaystyle k(x)=h(x)f(x)라 하자. 함수 f(x)\displaystyle f(x)는x=x0(π2<x0<π)\displaystyle x=x_0\left(\frac\pi2<x_0<\pi\right)에서 연속이 아니고, k(x)\displaystyle k(x)는 x=x0\displaystyle x=x_0에서 연속이라 하자. (1) 제시문 (가)를 이용하여h(x0)\displaystyle h(x_0)의 값을 구하고, (2) k(x)\displaystyle k(x)가 x=x0\displaystyle x=x_0에서 미분가능할 때,제시문 (나)를 이용하여 h(x)\displaystyle h(x)를 구하시오.(20점)

해설강의 준비중
+10점 · 연속이 아닌 점 x=π4\displaystyle x=\frac\pi4, 34π\displaystyle \frac34\pi, 54π\displaystyle \frac54\pi, 74π\displaystyle \frac74\pi을 모두 제시

[논제 1]문제에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 정의할 때, 삼각형의 밑변을 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 고정하면 삼각형의 넓이는 원위의 점과직선 AB\displaystyle \mathrm{AB} 사이의 거리(삼각형의 높이)에 의하여 결정된다. 따라서 원 x2+y2=1\displaystyle x^2+y^2=1 위의 점과 직선 l\displaystyle l 사이의 거리를 고려하여 f(x)\displaystyle f(x)를 구하면 다음과 같다.f(x)={4,0≤x<34π, x≠π43,x=π4,34π,74π2,34π<x<74π, x≠54π1,x=54π4,74π<x≤2π\displaystyle f(x)=\begin{cases}4,&0\le x<\frac34\pi,\ x\ne\frac\pi4\\3,&x=\frac\pi4,\frac34\pi,\frac74\pi\\2,&\frac34\pi<x<\frac74\pi,\ x\ne\frac54\pi\\1,&x=\frac54\pi\\4,&\frac74\pi<x\le2\pi\end{cases}따라서, 제시문 (가)에 의하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이 아닌 x\displaystyle x는x=π4,34π,54π,74π\displaystyle x=\frac\pi4,\frac34\pi,\frac54\pi,\frac74\pi

+10점 · p\displaystyle p의 범위 0<p<14\displaystyle 0<p<\frac14를 제시

이다. 한편, (0,2π)\displaystyle (0,2\pi)에서 f(x)=1,2,3,또는 4\displaystyle f(x)=1,2,3,\text{또는 }4이다. 함수 g(x)=[pf(x)]\displaystyle g(x)=[pf(x)]가 구간 (0,2π)\displaystyle (0,2\pi)에서 연속이기 때문에 g(x)\displaystyle g(x)는 (0,2π)\displaystyle (0,2\pi)에서 상수함수이므로g(x)=[p]=[2p]=[3p]=[4p]\displaystyle g(x)=[p]=[2p]=[3p]=[4p]이다. [p]=n\displaystyle [p]=n(n\displaystyle n는 음이 아닌 정수)라 하면, n≤p<n+1\displaystyle n\le p<n+1이고, 2n≤2p<2n+2\displaystyle 2n\le2p<2n+2이다.그러므로 [2p]=2n,2n+1\displaystyle [2p]=2n,2n+1이고 [p]=[2p]\displaystyle [p]=[2p]에서 n=2n\displaystyle n=2n이므로 n=0\displaystyle n=0이다.따라서 0<p<1\displaystyle 0<p<1이고, [p]=[2p]=[3p]=[4p]\displaystyle [p]=[2p]=[3p]=[4p]에서 0<p<14\displaystyle 0<p<\frac14이다.

+5점 · h(34π)=0\displaystyle h\left(\frac34\pi\right)=0을 제시

[논제 2](1) 구간 (π2,π)\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이 아닌 점은 x0=34π\displaystyle x_0=\frac34\pi이다. k(x)\displaystyle k(x)가 x=34π\displaystyle x=\frac34\pi에서 연속이므로먼저 제시문의 조건 (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ)을 만족해야 한다. 먼저 h(x)\displaystyle h(x)는 다항함수이므로 우극한과 좌극한을구하면 다음과 같다.(ⅰ) lim⁡x→34π+0k(x)=lim⁡x→34π+02h(x)=2h(34π),\displaystyle \lim_{x\to\frac34\pi+0}k(x)=\lim_{x\to\frac34\pi+0}2h(x)=2h\left(\frac34\pi\right),lim⁡x→34π−0k(x)=lim⁡x→34π−04h(x)=4h(34π)\displaystyle \lim_{x\to\frac34\pi-0}k(x)=\lim_{x\to\frac34\pi-0}4h(x)=4h\left(\frac34\pi\right)제시문 (가)의 (ⅲ)에 의하여h(34π)=0\displaystyle h\left(\frac34\pi\right)=0이다.

+10점 · h′(34π)=0\displaystyle h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)=0임을 제시

(2) 함수 k(x)−k(34π)x−34π\displaystyle \frac{k(x)-k(\frac34\pi)}{x-\frac34\pi}의 우극한과 좌극한을 구하면 다음과 같다.우극한 : lim⁡x→34π+0k(x)−k(34π)x−34π=lim⁡x→34π+02h(x)x−34π=2h′(34π),\displaystyle \lim_{x\to\frac34\pi+0}\frac{k(x)-k(\frac34\pi)}{x-\frac34\pi}=\lim_{x\to\frac34\pi+0}\frac{2h(x)}{x-\frac34\pi}=2h^{\prime}\left(\frac34\pi\right),좌극한 : lim⁡x→34π−0k(x)−k(34π)x−34π=lim⁡x→34π−04h(x)x−34π=4h′(34π)\displaystyle \lim_{x\to\frac34\pi-0}\frac{k(x)-k(\frac34\pi)}{x-\frac34\pi}=\lim_{x\to\frac34\pi-0}\frac{4h(x)}{x-\frac34\pi}=4h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)제시문 (나)에 의하여 2h′(34π)=4h′(34π)\displaystyle 2h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)=4h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)이므로h′(34π)=0\displaystyle h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)=0

+5점 · h(x)=(x−34π)2\displaystyle h(x)=\left(x-\frac34\pi\right)^2을 제시

이다. h(x)\displaystyle h(x)는 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 이차함수, h(34π)=0\displaystyle h\left(\frac34\pi\right)=0, h′(34π)=0\displaystyle h^{\prime}\left(\frac34\pi\right)=0이므로h(x)=(x−34π)2\displaystyle h(x)=\left(x-\frac34\pi\right)^2이다.

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