수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+7점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정적분과 역함수 f1(x)\displaystyle f^{-1}(x)의 정적분의 관계를 제시

[논제 1] x=0\displaystyle x=0일 때 조건 (1)에서 f(2)=f(0)+2\displaystyle f(2)=f(0)+2이고 조건 (2)에서 f(0)+f(2)=2\displaystyle f(0)+f(2)=2이므로 f(0)=0\displaystyle f(0)=0, f(2)=2\displaystyle f(2)=2이다. 또, x=1\displaystyle x=1일 때 조건 (2)에서 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이다. 따라서 조건 (1)에서 모든 정수 k\displaystyle k에 대하여 f(k)=k\displaystyle f(k)=kf(x)\displaystyle f(x)가 역함수를 가지므로 f1(1)=1\displaystyle f^{-1}(-1)=-1이고 f1(4)=4\displaystyle f^{-1}(4)=4이다. 따라서14f(x)dx+14f1(x)dx=161=15\displaystyle \int_{-1}^4f(x)\,dx+\int_{-1}^4f^{-1}(x)\,dx=16-1=15이므로14f1(x)dx=1514f(x)dx\displaystyle \int_{-1}^4f^{-1}(x)\,dx=15-\int_{-1}^4f(x)\,dx

+4점 · 24f(x)dx=02f(x)dx+4\displaystyle \int_2^4f(x)\,dx=\int_0^2f(x)\,dx+4를 제시

그러므로 14f(x)dx\displaystyle \int_{-1}^4f(x)\,dx의 값을 구하면 된다. 조건 (1)에서24f(x)dx=02f(x+2)dx=02{f(x)+2}dx=02f(x)dx+4\displaystyle \int_2^4f(x)\,dx=\int_0^2f(x+2)\,dx=\int_0^2\{f(x)+2\}\,dx=\int_0^2f(x)\,dx+4이므로14f(x)dx=10f(x)dx+202f(x)dx+4\displaystyle \int_{-1}^4f(x)\,dx=\int_{-1}^0f(x)\,dx+2\int_0^2f(x)\,dx+4 …………… (*)

+4점 · 01f(x)dx=58\displaystyle \int_0^1f(x)\,dx=\frac58를 제시

한편, 조건 (1)에서 f(2x)=f(x)+2\displaystyle f(2-x)=f(-x)+2이고, 조건 (2)에서 0x2\displaystyle 0\le x\le2일 때 f(2x)=2f(x)\displaystyle f(2-x)=2-f(x)이므로2x2\displaystyle -2\le x\le2일 때 f(x)+f(x)=0\displaystyle f(x)+f(-x)=0, 즉 원점에 대칭이다. 따라서11f(x)dx=0\displaystyle \int_{-1}^1f(x)\,dx=0이고 조건 (3)에서01f(x)dx=10f(x)dx=58\displaystyle \int_0^1f(x)\,dx=-\int_{-1}^0f(x)\,dx=\frac58 …………… (**)

+5점 · 정답을 제시

또한, 조건 (1)에서12f(x)dx=10f(x+2)dx=10{f(x)+2}dx=58+2=118\displaystyle \int_1^2f(x)\,dx=\int_{-1}^0f(x+2)\,dx=\int_{-1}^0\{f(x)+2\}\,dx=-\frac58+2=\frac{11}8이므로 (*)과 (**)에서14f(x)dx=58+2(58+118)+4=598\displaystyle \int_{-1}^4f(x)\,dx=-\frac58+2\left(\frac58+\frac{11}8\right)+4=\frac{59}8그러므로 14f1(x)dx=15598=618\displaystyle \int_{-1}^4f^{-1}(x)\,dx=15-\frac{59}8=\frac{61}8

+10점 · P\displaystyle \mathrm{P}x\displaystyle x 좌표와 t\displaystyle t의 관계식을 제시

[논제 2] 점 P(u,g(u))\displaystyle \mathrm{P}(u,g(u))에서 원 O\displaystyle \mathrm{O}의 접선이 점 P(u,g(u))\displaystyle \mathrm{P}(u,g(u))에서 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 접선과 일치하므로 접선의 방정식은yg(u)=g(u)(xu)\displaystyle y-g(u)=g^{\prime}(u)(x-u)또한, 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나고 접선에 수직인 직선이 원 O\displaystyle \mathrm{O}의 중심 (t,0)\displaystyle (t,0)을 지나므로0=1g(u)(tu)+g(u)\displaystyle 0=-\frac1{g^{\prime}(u)}(t-u)+g(u)이고, g(x)=aex+b\displaystyle g(x)=ae^x+b이므로 이를 정리하면u+aeu(aeu+b)=t\displaystyle u+ae^u(ae^u+b)=t

+10점 · h(u)0\displaystyle h^{\prime}(u)\ge0을 제시

문제에서 요구하는 b\displaystyle b의 최솟값을 구하기 위해서h(u)=u+aeu(aeu+b)\displaystyle h(u)=u+ae^u(ae^u+b)가 실수 전체의 집합에서 실수 전체의 집합으로 가는 일대일대응이 되도록 하는 b\displaystyle b를 모두 찾으면 충분하다.먼저limuh(u)=,limuh(u)=\displaystyle \lim_{u\to\infty}h(u)=\infty,\quad\lim_{u\to-\infty}h(u)=-\infty이고 h(u)\displaystyle h(u)는 연속함수이므로 g(t)0\displaystyle g(t)\ne0인 각각의 t\displaystyle t에 대하여 방정식 h(u)=t\displaystyle h(u)=t가 하나 이상의 해를 가진다.또한, h(u)\displaystyle h(u)는 상수인 구간이 없으므로, h(u)\displaystyle h(u)가 일대일함수이기 위한 필요충분조건은 h(u)0\displaystyle h^{\prime}(u)\ge0.h(u)=1+2a2e2u+abeu\displaystyle h^{\prime}(u)=1+2a^2e^{2u}+abe^u이므로 h(u)0\displaystyle h^{\prime}(u)\ge0이기 위해서는1) b0\displaystyle b\ge0일 때는 모든 실수 u\displaystyle u에 대하여 h(u)0\displaystyle h^{\prime}(u)\ge0,2) b<0\displaystyle b<0일 때는 h(u)=1+2(aeu+b4)2b28\displaystyle h^{\prime}(u)=1+2\left(ae^u+\frac b4\right)^2-\frac{b^2}8에서 b22\displaystyle b\ge-2\sqrt2h(u)0\displaystyle h^{\prime}(u)\ge0이기 위한 필요충분조건이다.

+5점 · 정답을 제시

그러므로 b\displaystyle b의 최솟값은 22\displaystyle -2\sqrt2

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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