수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제2] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (45점)

(가) (1) x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤f(a)\displaystyle f(x)\le f(a)이면함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대가 된다고 하고, 그때의 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)를 극댓값이라고 한다.(2) x=b\displaystyle x=b를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≥f(b)\displaystyle f(x)\ge f(b)이면함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=b\displaystyle x=b에서 극소가 된다고 하고, 그때의 함숫값 f(b)\displaystyle f(b)를 극솟값이라고 한다.(3) 극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 한다.

(나) 미분가능한 두 함수 y=f(u),u=g(x)\displaystyle y=f(u),u=g(x)에 대하여 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))도 미분가능하며,그 도함수는dydx=dydu⋅dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx} 또는 y′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle y^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)

(다) 미분가능한 두 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)와 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이면∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\displaystyle \int_a^bf(x)g^{\prime}(x)\,dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^bf^{\prime}(x)g(x)\,dx

실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(1) f(0)=0,f(1)=2\displaystyle f(0)=0,f(1)=2이고 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 연속함수이다.

(2) 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=13,23\displaystyle x=\frac13,\frac23에서만 극값을 갖고 f(13)=2f(23)\displaystyle f\left(\frac13\right)=2f\left(\frac23\right)

(3) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 구간 (n,n+1)\displaystyle (n,n+1)에서f(x)−12f(x−1)=f(n)−12f(n−1)\displaystyle f(x)-\frac12f(x-1)=f(n)-\frac12f(n-1)

[논제 1] 구간 (0,6)\displaystyle (0,6)에서 정의된 함수g(x)=ef(34x)\displaystyle g(x)=e^{f(\frac34x)}의 모든 극값의 곱을 T\displaystyle T라 하자. ln⁡T=1898\displaystyle \ln T=\frac{189}8일 때, f(163)−f(113)\displaystyle f\left(\frac{16}3\right)-f\left(\frac{11}3\right)의 값을 구하시오. (25점)

[논제 2] ∫02f(x) dx=3\displaystyle \int_0^2f(x)\,dx=3일 때, ∫03xf′(x) dx\displaystyle \int_0^3xf^{\prime}(x)\,dx의 값을 구하시오. (20점)

해설강의 준비중

[논제 1] 조건 (1)과 (2)에 의하여 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이다. 또한, 조건 (3)에 의해 (n,n+1)\displaystyle (n,n+1)에서f(x)=12{f(x−1)−f(n−1)}+f(n)\displaystyle f(x)=\frac12\{f(x-1)-f(n-1)\}+f(n)이므로 f(13)=M\displaystyle f\left(\frac13\right)=M이라고 하면 조건을 만족시키는 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 개형은 다음과 같다.

반복 구간에서 진폭이 절반으로 줄어드는 함수 f의 개형

그래프 : f(x)\displaystyle f(x)의 개형

+7점 · g(x)\displaystyle g(x)가 극값을 갖는 34x=13+(m−1)  (m=1,2,3,4,5)\displaystyle \frac34x=\frac13+(m-1)\;(m=1,2,3,4,5), 34x=23+(s−1)  (s=1,2,3,4)\displaystyle \frac34x=\frac23+(s-1)\;(s=1,2,3,4)를 제시

함수 g(x)\displaystyle g(x)는 미분가능하고g′(x)=34f′(34x)g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac34f^{\prime}\left(\frac34x\right)g(x)이므로 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0이려면 f′(34x)=0\displaystyle f^{\prime}\left(\frac34x\right)=0이어야 한다. 또, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 구간 (0,6)\displaystyle (0,6)에서 정의되므로0<34x<92\displaystyle 0<\frac34x<\frac92이고 조건으로부터34x=13+(m−1)  (m=1,2,3,4,5)\displaystyle \frac34x=\frac13+(m-1)\;(m=1,2,3,4,5) 또는 34x=23+(s−1)  (s=1,2,3,4)\displaystyle \frac34x=\frac23+(s-1)\;(s=1,2,3,4)일 때 g(x)\displaystyle g(x)는 극값을 갖는다. 또한g(49+4(m−1)3)=ef(13+(m−1))\displaystyle g\left(\frac49+\frac{4(m-1)}3\right)=e^{f(\frac13+(m-1))}g(89+4(s−1)3)=ef(23+(s−1))\displaystyle g\left(\frac89+\frac{4(s-1)}3\right)=e^{f(\frac23+(s-1))}이므로 g(x)\displaystyle g(x)의 모든 극값의 곱은T=e(∑m=15f(13+(m−1))+∑s=14f(23+(s−1)))\displaystyle T=e^{\left(\sum_{m=1}^5f\left(\frac13+(m-1)\right)+\sum_{s=1}^4f\left(\frac23+(s-1)\right)\right)}

+10점 · f(13)=1\displaystyle f\left(\frac13\right)=1임을 제시

이다. 그리고f(13)=M,  f(43)=2+M2,  f(73)=3+M4,  f(103)=72+M8,  f(133)=154+M16\displaystyle f\left(\frac13\right)=M,\;f\left(\frac43\right)=2+\frac M2,\;f\left(\frac73\right)=3+\frac M4,\;f\left(\frac{10}3\right)=\frac72+\frac M8,\;f\left(\frac{13}3\right)=\frac{15}4+\frac M{16}이고f(23)=M2,  f(53)=2+M4,  f(83)=3+M8,  f(113)=72+M16\displaystyle f\left(\frac23\right)=\frac M2,\;f\left(\frac53\right)=2+\frac M4,\;f\left(\frac83\right)=3+\frac M8,\;f\left(\frac{11}3\right)=\frac72+\frac M{16}이다. 따라서∑m=15f(13+(m−1))+∑s=14f(23+(s−1))=834+23M8=23M+1668\displaystyle \sum_{m=1}^5f\left(\frac13+(m-1)\right)+\sum_{s=1}^4f\left(\frac23+(s-1)\right)=\frac{83}4+\frac{23M}8=\frac{23M+166}8에서 ln⁡T=23M+1668=1898\displaystyle \ln T=\frac{23M+166}8=\frac{189}8이다. 그러므로 M=1\displaystyle M=1이고

+8점 · 정답을 제시

f(163)−f(113)=1132\displaystyle f\left(\frac{16}3\right)-f\left(\frac{11}3\right)=\frac{11}{32}이다.

+8점 · ∫03xf′(x) dx=3f(3)−∫03f(x) dx=212−F(3)\displaystyle \int_0^3xf^{\prime}(x)\,dx=3f(3)-\int_0^3f(x)\,dx=\frac{21}2-F(3)을 제시

[논제 2] F(x)=∫0xf(t) dt\displaystyle F(x)=\int_0^xf(t)\,dt라 하면 F(2)=3\displaystyle F(2)=3이다. f(3)=72\displaystyle f(3)=\frac72이므로 부분적분법을 이용하면∫03xf′(x) dx=3f(3)−∫03f(x) dx=212−F(3)\displaystyle \int_0^3xf^{\prime}(x)\,dx=3f(3)-\int_0^3f(x)\,dx=\frac{21}2-F(3)

+7점 · F(1)=23\displaystyle F(1)=\frac23 또는 ∫01f(x) dx=23\displaystyle \int_0^1f(x)\,dx=\frac23를 제시

이다. 또한,3=F(2)=F(1)+12F(1)+2=32F(1)+2\displaystyle 3=F(2)=F(1)+\frac12F(1)+2=\frac32F(1)+2이므로 F(1)=23\displaystyle F(1)=\frac23이다. 그러므로 조건 (3)에 의하여

+5점 · 정답을 제시

F(3)=∫03f(x) dx=(1+12+14)F(1)+f(1)+f(2)=376\displaystyle F(3)=\int_0^3f(x)\,dx=\left(1+\frac12+\frac14\right)F(1)+f(1)+f(2)=\frac{37}6(또는 F(3)=F(2)+3+14F(1)=3+3+14×23=376)\displaystyle \left(\text{또는 }F(3)=F(2)+3+\frac14F(1)=3+3+\frac14\times\frac23=\frac{37}6\right)이다 (그래프 참조). 따라서∫03xf′(x) dx=212−376=133\displaystyle \int_0^3xf^{\prime}(x)\,dx=\frac{21}2-\frac{37}6=\frac{13}3이다.

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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