수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (55점)

(가) 미분가능한 두 함수 y=f(u)\displaystyle y=f(u)와 u=g(x)\displaystyle u=g(x)에 대하여 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))의 도함수는{f(g(x))}′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle \{f(g(x))\}^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)

(나) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고 x=a\displaystyle x=a의 좌우에서(1) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이고, 극댓값은 f(a)\displaystyle f(a)(2) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이고, 극솟값은 f(a)\displaystyle f(a)

(다) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)에 대하여a=g(α),b=g(β)\displaystyle a=g(\alpha),b=g(\beta)일 때 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 α,β\displaystyle \alpha,\beta를 포함하는 구간에서 연속이면∫abf(x) dx=∫αβf(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt

[논제 1] 자연수 n\displaystyle n에 대하여 두 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)를 다음과 같이 정의하자.f(x)=nx2e−x,g(x)=(f∘f)(x)\displaystyle f(x)=nx^2e^{-x},\quad g(x)=(f\circ f)(x)x\displaystyle x에 대한 방정식 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0이 서로 다른 3\displaystyle 3개의 실근을 갖도록 하는 n\displaystyle n을 모두 구하시오.(단, e\displaystyle e는 2.7\displaystyle 2.7로 계산) (15점)

[논제 2] 실수 전체의 집합에서 연속인 도함수를 갖는 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(1) ∫13h(x) dx=9\displaystyle \int_1^3h(x)\,dx=9(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 구간 [3n,3n+1)\displaystyle [3^n,3^{n+1})에서 h(x)=h(x3)+1\displaystyle h(x)=h\left(\frac x3\right)+1

∫181(h(x)+h′(x)) dx\displaystyle \int_1^{81}(h(x)+h^{\prime}(x))\,dx의 값을 구하시오. (20점)

[논제 3] 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 k(x)>0\displaystyle k(x)>0인 연속함수 k(x)\displaystyle k(x)와 함수S(x)=∫0xk(t) dt\displaystyle S(x)=\int_0^xk(t)\,dt가 두 양수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 조건을 만족시킨다.

(1) ∫abk(x) dx=3S(a)+3\displaystyle \int_a^bk(x)\,dx=3S(a)+3(2) ∫abS(x)eS(x)(S(x)+1)2k(x) dx=eS(a)S(b)+1(e6(S(a)+1)−67e3(S(a)+1)+252)\displaystyle \int_a^b\frac{S(x)e^{S(x)}}{(S(x)+1)^2}k(x)\,dx=\frac{e^{S(a)}}{S(b)+1}\left(e^{6(S(a)+1)}-67e^{3(S(a)+1)}+252\right)

S(b)\displaystyle S(b)의 값을 구하시오. (20점)

해설강의 준비중
+5점 · f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0인 x\displaystyle x의 값을 제시

[논제 1] 주어진 자연수 n\displaystyle n에 대하여f′(x)=2nxe−x−nx2e−x=nx(2−x)e−x\displaystyle f^{\prime}(x)=2nxe^{-x}-nx^2e^{-x}=nx(2-x)e^{-x}이므로 다음과 같은 증가와 감소를 나타내는 표를 얻을 수 있다.

x\displaystyle x⋯\displaystyle \cdots0\displaystyle 0⋯\displaystyle \cdots2\displaystyle 2⋯\displaystyle \cdots
f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)−\displaystyle -0\displaystyle 0+\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -
f(x)\displaystyle f(x)↘\displaystyle \searrow0\displaystyle 0↗\displaystyle \nearrow4ne−2\displaystyle 4ne^{-2}↘\displaystyle \searrow

즉, 극솟값은 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 극댓값은 f(2)=4ne−2\displaystyle f(2)=4ne^{-2}이다.한편, 합성함수 미분법에 따라g′(x)=f′(f(x))f′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=f^{\prime}(f(x))f^{\prime}(x)이므로 방정식 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0의 해는 f′(f(x))=0\displaystyle f^{\prime}(f(x))=0의 해 또는 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 해이다.(i) f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0인 경우 : 위 표로부터 x=0\displaystyle x=0 또는 x=2\displaystyle x=2이다.

+5점 · f′(f(x))=0\displaystyle f^{\prime}(f(x))=0인 x\displaystyle x의 값을 제시

(ii) f′(f(x))=0\displaystyle f^{\prime}(f(x))=0인 경우 : f(x)=0\displaystyle f(x)=0 또는 f(x)=2\displaystyle f(x)=2이다.(a) f(x)=0\displaystyle f(x)=0인 경우 : 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 0\displaystyle 0이 아닌 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 양수이므로,방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 해는 x=0\displaystyle x=0 뿐이다.(b) f(x)=2\displaystyle f(x)=2인 경우 : 4ne−2<2  ⟺  n<e22=3.645\displaystyle 4ne^{-2}<2\iff n<\frac{e^2}2=3.645 (e=2.7\displaystyle e=2.7로 계산)이므로 n≤3\displaystyle n\le3일 때만 방정식 f(x)=2\displaystyle f(x)=2가 음의 해 하나만 가짐을 알 수 있다.

+5점 · 정답을 제시

(i)와 (ii)에 의하여 n=1,2,3\displaystyle n=1,2,3.

1≤n≤3과 n≥4에서 y=f(x)와 y=2의 교점 비교

[참고 그림]

+6점 · ∫181h′(x) dx\displaystyle \int_1^{81}h^{\prime}(x)\,dx의 값을 제시

[논제 2] 조건 (2)로 부터h(34)=h(33)+1=h(32)+2=h(3)+3=h(1)+4\displaystyle h(3^4)=h(3^3)+1=h(3^2)+2=h(3)+3=h(1)+4이므로∫181h′(x) dx=h(81)−h(1)=h(34)−h(1)=4\displaystyle \int_1^{81}h^{\prime}(x)\,dx=h(81)-h(1)=h(3^4)-h(1)=4

+10점 · ∫332h(x) dx\displaystyle \int_3^{3^2}h(x)\,dx, ∫3233h(x) dx\displaystyle \int_{3^2}^{3^3}h(x)\,dx, ∫3334h(x) dx\displaystyle \int_{3^3}^{3^4}h(x)\,dx의 값을 제시

조건 (1)에서 ∫13h(x) dx=9\displaystyle \int_1^3h(x)\,dx=9이므로∫332h(x) dx=∫332{h(x3)+1} dx=3∫13h(t) dt+(32−3)=33\displaystyle \int_3^{3^2}h(x)\,dx=\int_3^{3^2}\left\{h\left(\frac x3\right)+1\right\}\,dx=3\int_1^3h(t)\,dt+(3^2-3)=33∫3233h(x) dx=∫3233{h(x3)+1} dx=3∫332h(t) dt+(33−32)=117\displaystyle \int_{3^2}^{3^3}h(x)\,dx=\int_{3^2}^{3^3}\left\{h\left(\frac x3\right)+1\right\}\,dx=3\int_3^{3^2}h(t)\,dt+(3^3-3^2)=117∫3334h(x) dx=∫3334{h(x3)+1} dx=3∫3233h(t) dt+(34−33)=405\displaystyle \int_{3^3}^{3^4}h(x)\,dx=\int_{3^3}^{3^4}\left\{h\left(\frac x3\right)+1\right\}\,dx=3\int_{3^2}^{3^3}h(t)\,dt+(3^4-3^3)=405

+4점 · 정답을 제시

따라서∫181(h(x)+h′(x)) dx=∫134h(x) dx+∫134h′(x) dx=∫13h(x) dx+∫332h(x) dx+∫3233h(x) dx+∫3334h(x) dx+∫134h′(x) dx=9+33+117+405+4=568\displaystyle \begin{aligned}&\int_1^{81}(h(x)+h^{\prime}(x))\,dx\\&=\int_1^{3^4}h(x)\,dx+\int_1^{3^4}h^{\prime}(x)\,dx\\&=\int_1^3h(x)\,dx+\int_3^{3^2}h(x)\,dx+\int_{3^2}^{3^3}h(x)\,dx+\int_{3^3}^{3^4}h(x)\,dx+\int_1^{3^4}h^{\prime}(x)\,dx\\&=9+33+117+405+4\\&=568\end{aligned}

+4점 · S(b)=4S(a)+3\displaystyle S(b)=4S(a)+3을 제시

[논제 3] 조건 (1)에 의하여 S(b)−S(a)=∫abk(x) dx=3S(a)+3\displaystyle S(b)-S(a)=\int_a^bk(x)\,dx=3S(a)+3이므로S(b)=4S(a)+3\displaystyle S(b)=4S(a)+3 …………… (*)

+10점 · 방정식 eS(a)4(S(a)+1)(e3(S(a)+1)−4)=eS(a)4(S(a)+1)(e6(S(a)+1)−67e3(S(a)+1)+252)\displaystyle \frac{e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\left(e^{3(S(a)+1)}-4\right)=\frac{e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\left(e^{6(S(a)+1)}-67e^{3(S(a)+1)}+252\right)를 제시

S(x)=∫0xk(t) dt\displaystyle S(x)=\int_0^xk(t)\,dt에서 S′(x)=k(x)\displaystyle S^{\prime}(x)=k(x)이므로∫abS(x)eS(x)(S(x)+1)2k(x) dx=∫S(a)S(b)ueu(u+1)2 du=[euu+1]S(a)S(b)=eS(b)S(b)+1−eS(a)S(a)+1\displaystyle \int_a^b\frac{S(x)e^{S(x)}}{(S(x)+1)^2}k(x)\,dx=\int_{S(a)}^{S(b)}\frac{ue^u}{(u+1)^2}\,du=\Biggl[\frac{e^u}{u+1}\Biggr]_{S(a)}^{S(b)}=\frac{e^{S(b)}}{S(b)+1}-\frac{e^{S(a)}}{S(a)+1}이고 (*)을 이용하면∫abS(x)eS(x)(S(x)+1)2k(x) dx=e4S(a)+34(S(a)+1)−eS(a)S(a)+1=e4S(a)+3−4eS(a)4(S(a)+1)=eS(a)4(S(a)+1)(e3(S(a)+1)−4)\displaystyle \begin{aligned}\int_a^b\frac{S(x)e^{S(x)}}{(S(x)+1)^2}k(x)\,dx&=\frac{e^{4S(a)+3}}{4(S(a)+1)}-\frac{e^{S(a)}}{S(a)+1}=\frac{e^{4S(a)+3}-4e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\\&=\frac{e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\left(e^{3(S(a)+1)}-4\right)\end{aligned}(*)과 조건 (2)를 이용하여 다음 방정식을 얻는다.eS(a)4(S(a)+1)(e3(S(a)+1)−4)=eS(a)4(S(a)+1)(e6(S(a)+1)−67e3(S(a)+1)+252)\displaystyle \frac{e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\left(e^{3(S(a)+1)}-4\right)=\frac{e^{S(a)}}{4(S(a)+1)}\left(e^{6(S(a)+1)}-67e^{3(S(a)+1)}+252\right)

+6점 · 정답을 제시

이로부터(e3(S(a)+1)−4)(e3(S(a)+1)−64)=0\displaystyle \left(e^{3(S(a)+1)}-4\right)\left(e^{3(S(a)+1)}-64\right)=0여기에서 e3(S(a)+1)−4>e3−4>0\displaystyle e^{3(S(a)+1)}-4>e^3-4>0이므로 e3(S(a)+1)=64\displaystyle e^{3(S(a)+1)}=64이고S(a)=2ln⁡2−1\displaystyle S(a)=2\ln2-1따라서S(b)=4S(a)+3=8ln⁡2−1\displaystyle S(b)=4S(a)+3=8\ln2-1

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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