수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+6점 · f(x)=ln(x2+3)ln4\displaystyle f(x)=\ln(x^2+3)-\ln4임을 제시

[논제 1] 먼저 f(x)=1x2tt2+3dt=ln(x2+3)ln4=lnx2+34\displaystyle f(x)=\int_1^x\frac{2t}{t^2+3}\,dt=\ln(x^2+3)-\ln4=\ln\frac{x^2+3}4이다.

+9점 · 정답을 제시 (각 3점씩)

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표는 1,1\displaystyle -1,1이므로 삼각형 밑변의 길이는 2\displaystyle 2이고 높이는 lnt2+34\displaystyle \left|\ln\frac{t^2+3}4\right|이다. 따라서(삼각형 넓이) =lnt2+34=ln43\displaystyle =\left|\ln\frac{t^2+3}4\right|=\ln\frac43에서t=0,213,213\displaystyle t=0,\frac{\sqrt{21}}3,-\frac{\sqrt{21}}3이다.

곡선 ln((x²+3)/4) 위의 점을 꼭짓점으로 하는 세 삼각형
+3점 · g(x)=a16x(x2+3)2\displaystyle g^{\prime}(x)=a-\frac{16x}{(x^2+3)^2}를 제시

[논제 2] 먼저 g(x)\displaystyle g(x)의 극값이 두 개이므로 α<β\displaystyle \alpha<\beta일 때, “g(α)>g(β)\displaystyle g(\alpha)>g(\beta)”은“함수 g(x)\displaystyle g(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 극댓값을 갖고, x=β\displaystyle x=\beta에서 극솟값을 갖는다”와 필요충분조건이다. 함수 g(x)=a16x(x2+3)2\displaystyle g^{\prime}(x)=a-\frac{16x}{(x^2+3)^2}의 그래프의 개형을 그리자.

+7점 · 두 개의 극값을 갖는 a\displaystyle a의 범위를 제시

g(x)=16(x2+3)264x2(x2+3)(x2+3)4=48(x21)(x2+3)3\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=-\frac{16(x^2+3)^2-64x^2(x^2+3)}{(x^2+3)^4}=\frac{48(x^2-1)}{(x^2+3)^3}이므로 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)x=1\displaystyle x=-1에서 극댓값 a+1\displaystyle a+1, x=1\displaystyle x=1에서 극솟값 a1\displaystyle a-1을 갖는다.한편 g(0)=a\displaystyle g^{\prime}(0)=a이고{g(x)<a(x>0)g(x)>a(x<0),limx±g(x)=a\displaystyle \begin{cases}g^{\prime}(x)<a&(x>0)\\g^{\prime}(x)>a&(x<0)\end{cases},\quad\lim_{x\to\pm\infty}g^{\prime}(x)=a이므로 함수 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)의 그래프의 개형은 다음과 같다.

도함수 g′의 극댓값 a+1과 극솟값 a−1

(y=g(x)\displaystyle y=g^{\prime}(x)의 그래프)

+10점 · 정답을 제시

그러므로 함수 g(x)\displaystyle g(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 극대이고 x=β\displaystyle x=\beta (α<β\displaystyle \alpha<\beta)에서 극소를 갖기 위해서는 제시문 (나)에 의해서 x\displaystyle x축이 직선 y=a1\displaystyle y=a-1y=a\displaystyle y=a 사이에 놓여 있어야 한다. 따라서 a1<0<a\displaystyle a-1<0<a.0<a<1\displaystyle 0<a<1이다.

(별해) g(x)=a(x2+3)216x(x2+3)2\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{a(x^2+3)^2-16x}{(x^2+3)^2}x=α,β\displaystyle x=\alpha,\beta에서 극값을 가질 필요충분조건은 G(x)=a(x2+3)216x\displaystyle G(x)=a(x^2+3)^2-16xx=α,β\displaystyle x=\alpha,\beta에서 극값을 갖는 것이다. 따라서 G(x)\displaystyle G(x)가 극대, 극소가 되는 x=α,β\displaystyle x=\alpha,\beta를 파악해도 된다.Caution. g(x)=G(x)(x2+3)2\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{G(x)}{(x^2+3)^2}이므로 g\displaystyle g^{\prime}G\displaystyle G의 영점과 부호는 같지만 극값의 위치까지 같지는 않다. g\displaystyle g의 극값은 G(x)=0\displaystyle G(x)=0인 점의 좌우에서 부호가 바뀌는지로 판단해야 한다.

+5점 · h(0)=169,h(1)=1\displaystyle h(0)=\frac{16}9,h(1)=-1를 제시

[논제 3] g(x)=a16x(x2+3)2\displaystyle g^{\prime}(x)=a-\frac{16x}{(x^2+3)^2}이고 g(x)=16(x2+3)2+64x2(x2+3)3\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=-\frac{16}{(x^2+3)^2}+\frac{64x^2}{(x^2+3)^3}이므로f(1)=0,g(1)=a+2,g(1)=a+1,g(0)=169\displaystyle f(-1)=0,\quad g(1)=a+2,\quad g^{\prime}(-1)=a+1,\quad g^{\prime\prime}(0)=-\frac{16}9이다. 조건 (1)과 (2)에 의하여h(0)=169,h(1)=g(1)g(1)=1\displaystyle h(0)=\frac{16}9,\quad h(1)=g^{\prime}(-1)-g(1)=-1이다.

+5점 · 0π2sin2xh(cosx)(3+cos2x)2dx=012uh(u)(u2+3)2du\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}\frac{\sin2x\,h(\cos x)}{(3+\cos^2x)^2}\,dx=\int_0^1\frac{2u\,h(u)}{(u^2+3)^2}\,du임을 제시

sin2x=2sinxcosx\displaystyle \sin2x=2\sin x\cos x이므로 cosx=u\displaystyle \cos x=u라 하면0π2sin2xh(cosx)(3+cos2x)2dx=0π22sinxcosxh(cosx)(3+cos2x)2dx=012uh(u)(u2+3)2du\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}\frac{\sin2x\,h(\cos x)}{(3+\cos^2x)^2}\,dx=\int_0^{\frac\pi2}\frac{2\sin x\cos x\,h(\cos x)}{(3+\cos^2x)^2}\,dx=\int_0^1\frac{2u\,h(u)}{(u^2+3)^2}\,du이다.

+10점 · 정답을 제시

여기서 k(u)=1u2+3\displaystyle k(u)=\frac1{u^2+3}이라고 하면 k(u)=2u(u2+3)2\displaystyle k^{\prime}(u)=-\frac{2u}{(u^2+3)^2}이므로부분적분법을 이용하면012uh(u)(u2+3)2du=01k(u)h(u)du=[k(u)h(u)]01+01k(u)h(u)du=k(1)h(1)+k(0)h(0)+01h(u)u2+3du=14h(1)+13h(0)+01h(u)u2+3du=17108\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1\frac{2u\,h(u)}{(u^2+3)^2}\,du&=-\int_0^1k^{\prime}(u)h(u)\,du\\&=-\Biggl[k(u)h(u)\Biggr]_0^1+\int_0^1k(u)h^{\prime}(u)\,du\\&=-k(1)h(1)+k(0)h(0)+\int_0^1\frac{h^{\prime}(u)}{u^2+3}\,du\\&=-\frac14h(1)+\frac13h(0)+\int_0^1\frac{h^{\prime}(u)}{u^2+3}\,du=-\frac{17}{108}\end{aligned}이다.

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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