수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+8점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프 또는 식을 제시

[논제 1] 조건(f(x)3)(f(x)+3)(2f(x)x3+a2x)=0\displaystyle (f(x)-3)(f(x)+3)(2f(x)-x^3+a^2x)=0에서 각각의 실수 x\displaystyle x에 대하여f(x)=3\displaystyle f(x)=3 또는 f(x)=3\displaystyle f(x)=-3 또는 f(x)=12x(xa)(x+a)\displaystyle f(x)=\frac12x(x-a)(x+a)f0(x)=12x(xa)(x+a)\displaystyle f_0(x)=\frac12x(x-a)(x+a)라 하자. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프가 x\displaystyle x축과 만나는 점이 1\displaystyle 1개이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값과 최솟값의 합이 양수이므로1) limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-3, limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=3이고 f0(x)\displaystyle f_0(x)의 극댓값이 3\displaystyle 3보다 크거나2) limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=3, limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=-3이고 f0(x)\displaystyle f_0(x)의 극댓값이 3\displaystyle 3보다 커야 한다.

+7점 · 정답을 제시

f0(x)\displaystyle f_0(x)는 극댓값 f0(a3)=39a3\displaystyle f_0\left(-\frac a{\sqrt3}\right)=\frac{\sqrt3}9a^3을 갖고 위의 1)과 2)에 의하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f0(x)\displaystyle f_0(x)의 극댓값인 39a3\displaystyle \frac{\sqrt3}9a^3이다. 이때 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 3\displaystyle -3이므로 39a3+(3)=24\displaystyle \frac{\sqrt3}9a^3+(-3)=24이고, a=33\displaystyle a=3\sqrt3

+8점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프 또는 식을 제시

[논제 2] 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 따른 g(k)\displaystyle g(k)의 값을 살펴보면,1) limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-\infty, limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\infty일 때 : limkg(k)=limkg(k)=1\displaystyle \lim_{k\to-\infty}g(k)=\lim_{k\to\infty}g(k)=12) limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-\infty, limxf(x)=±3\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\pm3일 때 : limkg(k)=0\displaystyle \lim_{k\to-\infty}g(k)=0, limkg(k)=2\displaystyle \lim_{k\to\infty}g(k)=23) limxf(x)=±3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=\pm3, limxf(x)=±3\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\pm3일 때 : limkg(k)=limkg(k)=1\displaystyle \lim_{k\to-\infty}g(k)=\lim_{k\to\infty}g(k)=14) limxf(x)=±3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=\pm3, limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\infty일 때 : limkg(k)=2\displaystyle \lim_{k\to-\infty}g(k)=2, limkg(k)=0\displaystyle \lim_{k\to\infty}g(k)=0조건 (1)에 의해 가능한 경우는 위의 4) 뿐이고, limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=3인 경우 g(a)=2\displaystyle g(-a)=2,limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-3인 경우 g(a)=3\displaystyle g(-a)=3이므로 limxf(x)=3\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-3위의 사실과 조건 (3)에 의해 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 다음과 같다.

상수함수와 삼차함수를 이어 만든 f의 그래프
+7점 · a=7\displaystyle a=\sqrt7을 제시

조건 (4)로부터 점 (3,3)\displaystyle (-3,-3)은 직선 y=3\displaystyle y=-3과 곡선 y=12x(xa)(x+a)\displaystyle y=\frac12x(x-a)(x+a)의 교점이다.

직선 y=−3과 삼차함수의 교점 (−3,−3)

3=12(3)(3a)(3+a)\displaystyle -3=\frac12(-3)(-3-a)(-3+a)로부터 a=7\displaystyle a=\sqrt7. 따라서

+5점 · 정답을 제시

f(x)={3(x<3)12x(x7)(x+7)(3x<2)3(2x<1)12x(x7)(x+7)(x1)\displaystyle f(x)=\begin{cases}-3&(x<-3)\\\frac12x(x-\sqrt7)(x+\sqrt7)&(-3\le x<-2)\\3&(-2\le x<-1)\\\frac12x(x-\sqrt7)(x+\sqrt7)&(x\ge-1)\end{cases}이므로 f(2a)+f(a2)+f(2a)=217\displaystyle f(-2a)+f\left(-\frac a2\right)+f(2a)=21\sqrt7

+7점 · sinx44xdx=tsintdt\displaystyle \int\frac{\sin\sqrt[4]x}{4\sqrt x}\,dx=\int t\sin t\,dt를 제시

[논제 3] x=t4\displaystyle x=t^4이라고 하면 sinx4=sint,x=t2,dx=4t3dt\displaystyle \sin\sqrt[4]x=\sin t,\sqrt x=t^2,dx=4t^3dt. 치환적분법을 이용하면sinx44xdx=tsintdt\displaystyle \int\frac{\sin\sqrt[4]x}{4\sqrt x}\,dx=\int t\sin t\,dt

+8점 · an\displaystyle a_n을 제시

한편 부분적분법을 이용하면xsinxdx=xcosx+sinx+C\displaystyle \int x\sin x\,dx=-x\cos x+\sin x+C (C\displaystyle C는 적분상수)이므로an=14ππ4n4π4sinu4udu=1ππnπxsinxdx=1π[xcosx+sinx]πnπ=n(1)n1\displaystyle a_n=\frac1{4\pi}\int_{\pi^4}^{n^4\pi^4}\frac{\sin\sqrt[4]u}{\sqrt u}\,du=\frac1\pi\int_\pi^{n\pi}x\sin x\,dx=\frac1\pi\Biggl[-x\cos x+\sin x\Biggr]_\pi^{n\pi}=-n(-1)^n-1

+5점 · 정답을 제시

따라서 a2n1=2n2\displaystyle a_{2n-1}=2n-2이고 a2n=2n1\displaystyle a_{2n}=-2n-1이므로n=12a2n2a2n1=n=124n+1=n=118(116)n1=181116=215\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{2^{a_{2n}}}{2^{a_{2n-1}}}=\sum_{n=1}^\infty2^{-4n+1}=\sum_{n=1}^\infty\frac18\left(\frac1{16}\right)^{n-1}=\frac{\frac18}{1-\frac1{16}}=\frac2{15}

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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