수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · 합성함수의 도함수 제시

[논제 1] k(x)=f(g(x))\displaystyle k(x)=f(g(x))라 하자. 그러면 함수 k(x)\displaystyle k(x)는 미분가능하고k(x)=2f(sin2x)cos2x\displaystyle k^{\prime}(x)=2f^{\prime}(\sin2x)\cos2x

+7점 · {f(g(x))}>0\displaystyle \{f(g(x))\}^{\prime}>0이 되는 구간을 제시

sin2x\displaystyle \sin2xcos2x\displaystyle \cos2x의 주기는 π\displaystyle \pi이므로 열린구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 조건 (1)에 의하여,1) f(sin2x)>0,cos2x>0\displaystyle f^{\prime}(\sin2x)>0,\cos2x>0인 경우 :f(sin2x)>0\displaystyle f^{\prime}(\sin2x)>0이려면 1sin2x<0\displaystyle -1\le\sin2x<0이어야 하므로 π2<x<π\displaystyle \frac\pi2<x<\pi이고cos2x>0\displaystyle \cos2x>0이려면 0<x<π4,3π4<x<π\displaystyle 0<x<\frac\pi4,\frac{3\pi}4<x<\pi이어야 한다. 따라서 3π4<x<π\displaystyle \frac{3\pi}4<x<\pi2) f(sin2x)<0,cos2x<0\displaystyle f^{\prime}(\sin2x)<0,\cos2x<0인 경우 :f(sin2x)<0\displaystyle f^{\prime}(\sin2x)<0이려면 0<sin2x1\displaystyle 0<\sin2x\le1이어야 하므로 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2이고cos2x<0\displaystyle \cos2x<0이려면 π4<x<3π4\displaystyle \frac\pi4<x<\frac{3\pi}4이어야 한다. 따라서 π4<x<π2\displaystyle \frac\pi4<x<\frac\pi21), 2)로부터 열린구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 {f(g(x))}>0\displaystyle \{f(g(x))\}^{\prime}>0인 구간은 π4<x<π2\displaystyle \frac\pi4<x<\frac\pi23π4<x<π\displaystyle \frac{3\pi}4<x<\pi이므로t1=π4,t2=π2,t3=3π4,t4=π\displaystyle t_1=\frac\pi4,t_2=\frac\pi2,t_3=\frac{3\pi}4,t_4=\pi

+8점 · 정답을 제시

따라서 (t2t1)+(t4t3)=π2\displaystyle (t_2-t_1)+(t_4-t_3)=\frac\pi2. 함수 k(x)\displaystyle k(x)는 주기가 π\displaystyle \pi인 주기 함수이므로 열린구간 (0,nπ)\displaystyle (0,n\pi)에서j=1p(t2jt2j1)=5π2\displaystyle \sum_{j=1}^p(t_{2j}-t_{2j-1})=\frac{5\pi}2이려면 n=5\displaystyle n=5

(참고) 조건 (1)에서 f(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0이고, 조건 (3)으로부터 닫힌구간 [1,1]\displaystyle [-1,1]에서 연속함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 감소한다.따라서 f(1)>0\displaystyle f^{\prime}(-1)>0이고 f(1)<0\displaystyle f^{\prime}(1)<0

+3점 · 직선의 방정식을 제시

[논제 2] 조건 (2)로부터 f(1)=f(1)\displaystyle f(-1)=-f(1)이므로두 점 (1,f(1))\displaystyle (-1,f(-1))(1,f(1))\displaystyle (1,f(1))을 지나는 직선의 방정식을 y=(x)\displaystyle y=\ell(x)라 하면 (x)=f(1)x\displaystyle \ell(x)=f(1)x이다.

+5점 · h(1)=3\displaystyle h(1)=3을 제시

한편 조건 (3)과 (4)에 의하여 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 열린구간 (1,1)\displaystyle (-1,1)에서는 위로 볼록하다. 따라서 직선 y=(x)\displaystyle y=\ell(x)와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 오직 두 점 (1,f(1)),(1,f(1))\displaystyle (-1,f(-1)),(1,f(1))에서만 만나고 닫힌구간 [1,1]\displaystyle [-1,1]에서 (x)f(x)\displaystyle \ell(x)\le f(x)이다.즉, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 개형은 다음과 같다.

위로 볼록한 곡선 f와 두 끝점을 잇는 직선 ℓ

조건 (4)에 의하여3=11{f(x)(x)}dx=11{f(x)f(1)x}dx=11f(x)dx\displaystyle 3=\int_{-1}^1\{f(x)-\ell(x)\}\,dx=\int_{-1}^1\{f(x)-f(1)x\}\,dx=\int_{-1}^1f(x)\,dx이므로h(1)=3\displaystyle h(1)=3 …………… (*)

+12점 · 부분적분법을 사용하여 부정적분을 제시

부분적분법에 의하여h(x)sinxdx=h(x)cosxsinxcosxdx=h(x)cosxlncosx+{f(x)cosxh(x)sinx}lncosxdx\displaystyle \begin{aligned}\int h(x)\sin x\,dx&=\int h(x)\cos x\frac{\sin x}{\cos x}\,dx\\&=-h(x)\cos x\ln\cos x+\int\{f(x)\cos x-h(x)\sin x\}\ln\cos x\,dx\end{aligned}…………… (**)이고h(x)sinxdx=h(x)cosx+f(x)cosxdx\displaystyle \int h(x)\sin x\,dx=-h(x)\cos x+\int f(x)\cos x\,dx …………… (***)그러므로 식 (**)와 (***)에 의하여{f(x)cosx+h(x)sinxlncosxf(x)cosxlncosx}dx=h(x)cosxh(x)cosxlncosx+C\displaystyle \begin{aligned}&\int\{f(x)\cos x+h(x)\sin x\ln\cos x-f(x)\cos x\ln\cos x\}\,dx\\&=h(x)\cos x-h(x)\cos x\ln\cos x+C\end{aligned}

+5점 · 정답을 제시

이므로(C\displaystyle C는 적분상수), 식 (*)와 h(1)=0\displaystyle h(-1)=0에 의하여11{f(x)cosx+h(x)sinxlncosxf(x)cosxlncosx}dx=3cos13cos1lncos1=3cos1(1lncos1)=3cos1lnecos1\displaystyle \begin{aligned}&\int_{-1}^1\{f(x)\cos x+h(x)\sin x\ln\cos x-f(x)\cos x\ln\cos x\}\,dx\\&=3\cos1-3\cos1\ln\cos1\\&=3\cos1(1-\ln\cos1)\\&=3\cos1\ln\frac e{\cos1}\end{aligned}

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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