수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (55점)

(가) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수 f−1(x)\displaystyle f^{-1}(x)가 존재하고 이 역함수가 미분가능할 때,(f−1)′(x)=1f′(f−1(x))\displaystyle (f^{-1})^{\prime}(x)=\frac1{f^{\prime}(f^{-1}(x))}

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)에서 x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a가 아니면서 a\displaystyle a에 한없이 가까워질 때, f(x)\displaystyle f(x)의 값이 일정한 값 L\displaystyle L에 한없이 가까워지면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 L\displaystyle L에 수렴한다고 한다. 이때 L\displaystyle L을 x=a\displaystyle x=a에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극한값 또는 극한이라 하고, 이것을 기호로lim⁡x→af(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=L 또는 x→a\displaystyle x\to a일 때 f(x)→L\displaystyle f(x)\to L과 같이 나타낸다.

(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] 양의 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)=ln⁡x+2x2+ax+b\displaystyle f(x)=\ln x+2x^2+ax+b가 역함수를 갖고,0\displaystyle 0이 아닌 실수 L\displaystyle L에 대하여lim⁡x→1((f−1)′(x)×{ln⁡f−1(x)f−1(1)}2)=L\displaystyle \lim_{x\to1}\left((f^{-1})^{\prime}(x)\times\left\{\ln\frac{f^{-1}(x)}{f^{-1}(1)}\right\}^2\right)=L일 때, a+b+L\displaystyle a+b+L의 값을 구하시오. (단, a,b\displaystyle a,b는 상수) (15점)

[논제 2] 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 함수 h(x)=(x−2)g′(x)g(x)\displaystyle h(x)=\frac{(x-2)g^{\prime}(x)}{g(x)}와0\displaystyle 0이 아닌 실수 c\displaystyle c가 다음 조건을 만족시킨다.

(1) lim⁡x→2h(x)=2\displaystyle \lim_{x\to2}h(x)=2(2) lim⁡x→ch(∣x∣)\displaystyle \lim_{x\to c}h(|x|)가 존재하지 않는다.(3) g(c)=18c\displaystyle g(c)=18c

g(2c)\displaystyle g(2c)의 값을 구하시오. (20점)

[논제 3] 함수 k(x)=x+sin⁡x\displaystyle k(x)=x+\sin x에 대하여 함수 F(t)\displaystyle F(t)와 상수 α,β\displaystyle \alpha,\beta를 다음과 같이 정의하자.

(1) F(t)=∫0πtcos⁡(k−1(y)) dy\displaystyle F(t)=\int_0^{\pi t}\cos(k^{-1}(y))\,dy(2) α\displaystyle \alpha는 0<t<8\displaystyle 0<t<8에서 F(t)\displaystyle F(t)가 극댓값인 t\displaystyle t의 값 중 가장 큰 값(3) β\displaystyle \beta는 0<t<8\displaystyle 0<t<8에서 F(t)\displaystyle F(t)가 극솟값인 t\displaystyle t의 값 중 가장 큰 값

F(β)−F(α)\displaystyle F(\beta)-F(\alpha)의 값을 구하시오. (20점)

해설강의 준비중
+5점 · a=−4\displaystyle a=-4를 제시

[논제 1] f−1(x)=y\displaystyle f^{-1}(x)=y라 하면 f(p)=1\displaystyle f(p)=1인 양의 실수 p\displaystyle p가 존재하여lim⁡x→1((f−1)′(x)×{ln⁡f−1(x)f−1(1)}2)=lim⁡y→p{1f′(y)×(ln⁡yp)2}=L≠0\displaystyle \lim_{x\to1}\left((f^{-1})^{\prime}(x)\times\left\{\ln\frac{f^{-1}(x)}{f^{-1}(1)}\right\}^2\right)=\lim_{y\to p}\left\{\frac1{f^{\prime}(y)}\times\left(\ln\frac yp\right)^2\right\}=L\ne0을 만족시킨다. lim⁡y→pln⁡yp=0\displaystyle \lim_{y\to p}\ln\frac yp=0이므로 주어진 극한이 0\displaystyle 0이 아닌 값으로 수렴하기 위해서는lim⁡y→pf′(y)=f′(p)=0\displaystyle \lim_{y\to p}f^{\prime}(y)=f^{\prime}(p)=0이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 역함수를 가지려면 모든 양수 x\displaystyle x에서 f′(x)≥0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0이거나 모든 양수 x\displaystyle x에서 f′(x)≤0\displaystyle f^{\prime}(x)\le0이어야 한다. 그런데 f′(x)=1x+4x+a\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac1x+4x+a에서 lim⁡x→∞f′(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}f^{\prime}(x)=\infty이므로 모든 양수 x\displaystyle x에서 f′(x)≥0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0이어야 한다. f′(p)=0\displaystyle f^{\prime}(p)=0이므로 f′(p)\displaystyle f^{\prime}(p)는 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 최솟값이다. 따라서 f′′(p)=−1p2+4=0\displaystyle f^{\prime\prime}(p)=-\frac1{p^2}+4=0이므로 p=12\displaystyle p=\frac12이다.f′(12)=2+2+a=0\displaystyle f^{\prime}\left(\frac12\right)=2+2+a=0이므로 a=−4\displaystyle a=-4이다.

+5점 · b=52+ln⁡2\displaystyle b=\frac52+\ln2를 제시

또한 f(12)=ln⁡12+12−2+b=1\displaystyle f\left(\frac12\right)=\ln\frac12+\frac12-2+b=1이므로 b=52+ln⁡2\displaystyle b=\frac52+\ln2이다.

+5점 · 정답을 제시

L=lim⁡y→12{1f′(y)×(ln⁡yp)2}=lim⁡y→12(ln⁡y−ln⁡12)21y+4y−4=lim⁡y→12{(ln⁡y−ln⁡12y−12)2×y4}=12\displaystyle L=\lim_{y\to\frac12}\left\{\frac1{f^{\prime}(y)}\times\left(\ln\frac yp\right)^2\right\}=\lim_{y\to\frac12}\frac{(\ln y-\ln\frac12)^2}{\frac1y+4y-4}=\lim_{y\to\frac12}\left\{\left(\frac{\ln y-\ln\frac12}{y-\frac12}\right)^2\times\frac y4\right\}=\frac12이므로 a+b+L=−1+ln⁡2\displaystyle a+b+L=-1+\ln2이다.

+5점 · g(x)=(x−2)2(x+r)\displaystyle g(x)=(x-2)^2(x+r)를 제시

[논제 2] 조건 (1)에서 lim⁡x→2(x−2)g′(x)g(x)=2\displaystyle \lim_{x\to2}(x-2)\frac{g^{\prime}(x)}{g(x)}=2이므로 g(2)=0\displaystyle g(2)=0이다. 따라서 1≤k≤3\displaystyle 1\le k\le3인 자연수 k\displaystyle k와p(2)≠0\displaystyle p(2)\ne0인 (3−k)\displaystyle (3-k)차 다항식 p(x)\displaystyle p(x)에 대하여g(x)=(x−2)kp(x)\displaystyle g(x)=(x-2)^kp(x)g′(x)=k(x−2)k−1p(x)+(x−2)kp′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=k(x-2)^{k-1}p(x)+(x-2)^kp^{\prime}(x)로부터lim⁡x→2{(x−2)g′(x)g(x)}=lim⁡x→2{(x−2)k(x−2)k−1p(x)+(x−2)kp′(x)(x−2)kp(x)}=lim⁡x→2kp(x)+(x−2)p′(x)p(x)=k\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to2}\left\{(x-2)\frac{g^{\prime}(x)}{g(x)}\right\}&=\lim_{x\to2}\left\{(x-2)\frac{k(x-2)^{k-1}p(x)+(x-2)^kp^{\prime}(x)}{(x-2)^kp(x)}\right\}\\&=\lim_{x\to2}\frac{kp(x)+(x-2)p^{\prime}(x)}{p(x)}\\&=k\end{aligned}이고 k=2\displaystyle k=2이다. 따라서 상수 r\displaystyle r (r≠−2\displaystyle r\ne-2)에 대하여g(x)=(x−2)2(x+r)\displaystyle g(x)=(x-2)^2(x+r) …………… (*)

+10점 · c=−1\displaystyle c=-1을 제시

그러므로h(∣x∣)=3∣x∣+2r−2∣x∣+r={3x+2r−2x+r,x≥0−3x+2r−2−x+r,x<0\displaystyle h(|x|)=\frac{3|x|+2r-2}{|x|+r}=\begin{cases}\frac{3x+2r-2}{x+r},&x\ge0\\\frac{-3x+2r-2}{-x+r},&x<0\end{cases}이고 조건 (2)에 의하여 c=r\displaystyle c=r (c<0\displaystyle c<0) 또는 c=−r\displaystyle c=-r (c>0\displaystyle c>0)이어야 한다. 따라서 r<0\displaystyle r<0이어야 한다. 그런데 c=−r\displaystyle c=-r이면 g(c)=0\displaystyle g(c)=0이 되므로 조건 (3)에 모순이다. 따라서 c=r\displaystyle c=r (r<0,r≠−2\displaystyle r<0,r\ne-2)이다.g(c)=g(r)=(r−2)2(2r)=18r\displaystyle g(c)=g(r)=(r-2)^2(2r)=18r로부터 c=r=−1\displaystyle c=r=-1이고g(x)=(x−2)2(x−1)\displaystyle g(x)=(x-2)^2(x-1)

+5점 · 정답을 제시

그러므로 g(2c)=g(−2)=−48\displaystyle g(2c)=g(-2)=-48

(참고) (*)은 다음과 같은 방법으로도 설명할 수 있다.조건 (1)로부터 g(2)=0\displaystyle g(2)=0이다. 따라서 2\displaystyle 2차 다항식 p(x)\displaystyle p(x)에 대하여 g(x)=(x−2)p(x)\displaystyle g(x)=(x-2)p(x)이다.lim⁡x→2h(x)=lim⁡x→2(x−2)p(x)+(x−2)2p′(x)(x−2)p(x)\displaystyle \lim_{x\to2}h(x)=\lim_{x\to2}\frac{(x-2)p(x)+(x-2)^2p^{\prime}(x)}{(x-2)p(x)}이므로, p(2)≠0\displaystyle p(2)\ne0이면 위의 극한값이 1\displaystyle 1이 되어 조건 (1)에 맞지 않는다.따라서 p(2)=0\displaystyle p(2)=0이고 1\displaystyle 1차 다항식 q(x)\displaystyle q(x)에 대하여 g(x)=(x−2)2q(x)\displaystyle g(x)=(x-2)^2q(x)이다.lim⁡x→2h(x)=lim⁡x→22(x−2)2q(x)+(x−2)3q′(x)(x−2)2q(x)\displaystyle \lim_{x\to2}h(x)=\lim_{x\to2}\frac{2(x-2)^2q(x)+(x-2)^3q^{\prime}(x)}{(x-2)^2q(x)}이고 q(2)=0\displaystyle q(2)=0이면 위의 극한값은 3\displaystyle 3이 되어 조건 (1)에 맞지 않는다.그러므로 g(x)=(x−2)2(x+r)\displaystyle g(x)=(x-2)^2(x+r), (r≠−2\displaystyle r\ne-2)이다.

+5점 · 극값을 갖는 k−1(πt)\displaystyle k^{-1}(\pi t)의 값을 제시

[논제 3] 함수 F(t)\displaystyle F(t)를 미분하면,F′(t)=πcos⁡(k−1(πt))\displaystyle F^{\prime}(t)=\pi\cos(k^{-1}(\pi t)) …………… (**)그런데 k′(x)=1+cos⁡x≥0\displaystyle k^{\prime}(x)=1+\cos x\ge0이므로 함수 k(x)\displaystyle k(x)는 증가함수이고 k−1(x)\displaystyle k^{-1}(x)도 증가함수이다. 따라서t∈(0,8)\displaystyle t\in(0,8)이면 k−1(πt)∈(0,8π)\displaystyle k^{-1}(\pi t)\in(0,8\pi)이므로 (**)에서k−1(πt)=π2,3π2,5π2,7π2,9π2,11π2,13π2,15π2\displaystyle k^{-1}(\pi t)=\frac\pi2,\frac{3\pi}2,\frac{5\pi}2,\frac{7\pi}2,\frac{9\pi}2,\frac{11\pi}2,\frac{13\pi}2,\frac{15\pi}2 …………… (***)일 때 F′(t)=0\displaystyle F^{\prime}(t)=0이다. 또한,F′′(t)=−πsin⁡(k−1(πt))ddtk−1(πt)\displaystyle F^{\prime\prime}(t)=-\pi\sin(k^{-1}(\pi t))\frac d{dt}k^{-1}(\pi t)여기에서 k−1(πt)=x\displaystyle k^{-1}(\pi t)=x라 하면 πt=k(x)=x+sin⁡x\displaystyle \pi t=k(x)=x+\sin x, 즉, dtdx=1π(1+cos⁡x)\displaystyle \frac{dt}{dx}=\frac1\pi(1+\cos x)이므로ddtk−1(πt)=π1+cos⁡(k−1(πt))\displaystyle \frac d{dt}k^{-1}(\pi t)=\frac\pi{1+\cos(k^{-1}(\pi t))}이다. 따라서F′′(t)=−π2sin⁡(k−1(πt))1+cos⁡(k−1(πt))\displaystyle F^{\prime\prime}(t)=-\frac{\pi^2\sin(k^{-1}(\pi t))}{1+\cos(k^{-1}(\pi t))}여기에서 (***)를 만족시키는 t\displaystyle t에서는cos⁡(k−1(πt))=0\displaystyle \cos(k^{-1}(\pi t))=0sin⁡(k−1(πt))={1,k−1(πt)=π2,5π2,9π2,13π2−1,k−1(πt)=3π2,7π2,11π2,15π2\displaystyle \sin(k^{-1}(\pi t))=\begin{cases}1,&k^{-1}(\pi t)=\frac\pi2,\frac{5\pi}2,\frac{9\pi}2,\frac{13\pi}2\\-1,&k^{-1}(\pi t)=\frac{3\pi}2,\frac{7\pi}2,\frac{11\pi}2,\frac{15\pi}2\end{cases}여기에서 k−1(πt)=π2,5π2,9π2,13π2\displaystyle k^{-1}(\pi t)=\frac\pi2,\frac{5\pi}2,\frac{9\pi}2,\frac{13\pi}2이면 F′′(t)<0\displaystyle F^{\prime\prime}(t)<0이므로 함수 F(t)\displaystyle F(t)는 극댓값을 갖고,k−1(πt)=3π2,7π2,11π2,15π2\displaystyle k^{-1}(\pi t)=\frac{3\pi}2,\frac{7\pi}2,\frac{11\pi}2,\frac{15\pi}2이면 F′′(t)>0\displaystyle F^{\prime\prime}(t)>0이므로 함수 F(t)\displaystyle F(t)는 극솟값을 갖는다.

+5점 · α=132+1π,β=152−1π\displaystyle \alpha=\frac{13}2+\frac1\pi,\beta=\frac{15}2-\frac1\pi를 제시

그런데 k−1(πt)\displaystyle k^{-1}(\pi t)는 t\displaystyle t의 증가함수이므로α=1πk(13π2)=132+1π,β=1πk(15π2)=152−1π\displaystyle \alpha=\frac1\pi k\left(\frac{13\pi}2\right)=\frac{13}2+\frac1\pi,\quad\beta=\frac1\pi k\left(\frac{15\pi}2\right)=\frac{15}2-\frac1\pi

+10점 · 정답을 제시

따라서F(β)−F(α)=F(152−1π)−F(132+1π)=∫13π2+115π2−1cos⁡(k−1(y)) dy\displaystyle F(\beta)-F(\alpha)=F\left(\frac{15}2-\frac1\pi\right)-F\left(\frac{13}2+\frac1\pi\right)=\int_{\frac{13\pi}2+1}^{\frac{15\pi}2-1}\cos(k^{-1}(y))\,dy여기에서 k−1(y)=x\displaystyle k^{-1}(y)=x로 치환하면 y=k(x)=x+sin⁡x\displaystyle y=k(x)=x+\sin x이므로k(13π2)=13π2+1,k(15π2)=15π2−1,dy=(1+cos⁡x)dx\displaystyle k\left(\frac{13\pi}2\right)=\frac{13\pi}2+1,\quad k\left(\frac{15\pi}2\right)=\frac{15\pi}2-1,\quad dy=(1+\cos x)dx에서F(β)−F(α)=∫13π215π2cos⁡x(1+cos⁡x) dx=∫13π215π2(cos⁡x+cos⁡(2x)+12) dx=π2−2\displaystyle F(\beta)-F(\alpha)=\int_{\frac{13\pi}2}^{\frac{15\pi}2}\cos x(1+\cos x)\,dx=\int_{\frac{13\pi}2}^{\frac{15\pi}2}\left(\cos x+\frac{\cos(2x)+1}2\right)\,dx=\frac\pi2-2

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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