수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · f(x)=eaxtanbx\displaystyle f(x)=e^{ax}\tan bx의 도함수 제시

[논제 1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수는f(x)=aeaxtanbx+beaxsec2bx\displaystyle f^{\prime}(x)=ae^{ax}\tan bx+be^{ax}\sec^2bx이다. 한편 sec2bx=1+tan2bx\displaystyle \sec^2bx=1+\tan^2bx이므로f(x)=eax(btan2bx+atanbx+b)\displaystyle f^{\prime}(x)=e^{ax}(b\tan^2bx+a\tan bx+b)

+10점 · 실근을 갖는 조건 a>2b\displaystyle a>2b(또는 a2>4b2\displaystyle a^2>4b^2)를 제시

이다. 여기서 eax>0\displaystyle e^{ax}>0이므로 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이려면 btan2bx+atanbx+b=0\displaystyle b\tan^2bx+a\tan bx+b=0이어야 한다.또한, 열린 구간 (π2b,π2b)\displaystyle \left(-\frac\pi{2b},\frac\pi{2b}\right)에서 tanbx\displaystyle \tan bx는 일대일 대응이므로 tanbx=u\displaystyle \tan bx=u로 치환하여bu2+au+b=0\displaystyle bu^2+au+b=0 … ①을 얻는다. 판별식을 사용하면 a2>4b2\displaystyle a^2>4b^2인 경우에만 ①은 서로 다른 두 실근을 갖고 따라서 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)도 서로 다른 두 실근을 갖는다. 그리고 a,b\displaystyle a,b가 자연수이므로 a>2b\displaystyle a>2b일 때만 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 극값을 갖는다.

+5점 · 순서쌍 구하고 개수를 제시 (답과 다른 순서쌍을 구하여도 개수를 맞출 수 있으니 확인 필요)

a>2b\displaystyle a>2b를 만족시키는 한 자리 자연수의 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)(3,1),(4,1),(9,1)\displaystyle (3,1),(4,1)\cdots,(9,1) ―― 7\displaystyle 7(5,2),(6,2),,(9,2)\displaystyle (5,2),(6,2),\cdots,(9,2) ―― 5\displaystyle 5(7,3),(8,3),(9,3)\displaystyle (7,3),(8,3),(9,3) ―― 3\displaystyle 3(9,4)\displaystyle (9,4) ―― 1\displaystyle 1이므로 구하려는 개수는 16\displaystyle 16이다.

+5점 · f(t)=et+2e2t+k\displaystyle f^{\prime}(t)=e^t+2e^{-2t}+k를 제시

[논제 2] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 한 점 A(t,f(t))\displaystyle \mathrm{A}(t,f(t))에서의 접선의 방정식은l:y=f(t)(xt)+f(t)\displaystyle l:y=f^{\prime}(t)(x-t)+f(t)이므로 접선 l\displaystyle ly\displaystyle y절편을 h(t)\displaystyle h(t)라 하면 h(t)=f(t)tf(t)\displaystyle h(t)=f(t)-tf^{\prime}(t)이다. 조건 (1)로부터 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이므로 f(t)>h(t)\displaystyle f(t)>h(t)이다. 따라서 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는 12t(f(t)h(t))\displaystyle \frac12t(f(t)-h(t))이므로 조건 (2)로부터12t(f(t)h(t))=t22(et+2e2t+k)\displaystyle \frac12t(f(t)-h(t))=\frac{t^2}2(e^t+2e^{-2t}+k)이다. 그러므로f(t)=et+2e2t+k\displaystyle f^{\prime}(t)=e^t+2e^{-2t}+k

+5점 · f(t)=ete2t+2t\displaystyle f(t)=e^t-e^{-2t}+2t를 제시

이고 이를 적분하면 f(t)=ete2t+kt+R\displaystyle f(t)=e^t-e^{-2t}+kt+R (R\displaystyle R는 적분상수)이다. 조건 (3)의 limt0+f(t)sint=5\displaystyle \lim_{t\to0^+}\frac{f(t)}{\sin t}=5로부터limt0+f(t)=0\displaystyle \lim_{t\to0^+}f(t)=0이므로 R=0\displaystyle R=0이다. 또한5=limt0+f(t)sint=limt0+ete2t+ktsint=limt0+et1tsintt+2limt0+e2t12tsintt+klimt0+tsint=3+k\displaystyle \begin{aligned}5&=\lim_{t\to0^+}\frac{f(t)}{\sin t}=\lim_{t\to0^+}\frac{e^t-e^{-2t}+kt}{\sin t}\\&=\lim_{t\to0^+}\frac{\frac{e^t-1}t}{\frac{\sin t}t}+2\lim_{t\to0^+}\frac{\frac{e^{-2t}-1}{-2t}}{\frac{\sin t}t}+k\lim_{t\to0^+}\frac t{\sin t}\\&=3+k\end{aligned}

+5점 · F(t)G(t)=12t2f(t)tf(t)\displaystyle F(t)-G(t)=\frac12t^2f^{\prime}(t)-tf(t)을 제시

이므로 k=2\displaystyle k=2이다. 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 B(0,f(t)tf(t))\displaystyle \mathrm{B}(0,f(t)-tf^{\prime}(t))이고 D(tf(t)f(t),0)\displaystyle \mathrm{D}\left(t-\frac{f(t)}{f^{\prime}(t)},0\right)이다. 조건 (1)로부터접선 l\displaystyle lx\displaystyle x절편과 y\displaystyle y절편의 부호는 다르므로F(t)=12(tf(t)f(t))(tf(t)f(t)),G(t)=12f(t)f(t)f(t)\displaystyle F(t)=\frac12(tf^{\prime}(t)-f(t))\left(t-\frac{f(t)}{f^{\prime}(t)}\right),\quad G(t)=\frac12\frac{f(t)}{f^{\prime}(t)}f(t)이다. 따라서 F(t)G(t)=12t2f(t)tf(t)\displaystyle F(t)-G(t)=\frac12t^2f^{\prime}(t)-tf(t)이고

+10점 · 12(F(t)G(t))dt=2e292e412e73\displaystyle \int_1^2(F(t)-G(t))\,dt=2e^{-2}-\frac92e^{-4}-\frac12e-\frac73을 제시

12(F(t)G(t))dt=1212t2f(t)dt12tf(t)dt=12(4f(2)f(1))212tf(t)dt\displaystyle \begin{aligned}\int_1^2(F(t)-G(t))\,dt&=\frac12\int_1^2t^2f^{\prime}(t)\,dt-\int_1^2tf(t)\,dt\\&=\frac12(4f(2)-f(1))-2\int_1^2tf(t)\,dt\end{aligned}이다. 한편12tf(t)dt=12tetdt12te2tdt+212t2dt=[tetet]12+[t2e2t+14e2t]12+23[t3]12=e2+54e434e2+143\displaystyle \begin{aligned}\int_1^2tf(t)\,dt&=\int_1^2te^t\,dt-\int_1^2te^{-2t}\,dt+2\int_1^2t^2\,dt\\&=\Biggl[te^t-e^t\Biggr]_1^2+\Biggl[\frac t2e^{-2t}+\frac14e^{-2t}\Biggr]_1^2+\frac23\Biggl[t^3\Biggr]_1^2\\&=e^2+\frac54e^{-4}-\frac34e^{-2}+\frac{14}3\end{aligned}이므로12(F(t)G(t))dt=2e292e412e73\displaystyle \int_1^2(F(t)-G(t))\,dt=2e^{-2}-\frac92e^{-4}-\frac12e-\frac73

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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