수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제2] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (45점)

(가) ∫1x dx=ln⁡∣x∣+C\displaystyle \int\frac1x\,dx=\ln|x|+C (단, C\displaystyle C는 적분상수)

(나) 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 대하여 a=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

(다) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고 x=a\displaystyle x=a의 좌우에서• f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이고, 극댓값은 f(a)\displaystyle f(a)• f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이고, 극솟값은 f(a)\displaystyle f(a)

f(x)=cos⁡x2+sin⁡x\displaystyle f(x)=\frac{\cos x}{2+\sin x}라 하자.

[논제1] 0<a<π2\displaystyle 0<a<\frac\pi2에 대하여∫0a2sin⁡x+12cos⁡x+sin⁡xcos⁡x dx=1\displaystyle \int_0^a\frac{2\sin x+1}{2\cos x+\sin x\cos x}\,dx=1일 때, f(a)\displaystyle f(a)의 값을 구하시오. (단, a\displaystyle a는 상수) (20점)

[논제2] 다음 조건을 만족시키는 실수 k\displaystyle k의 값과 범위를 모두 구하시오. (25점)

π2≤x≤2π\displaystyle \frac\pi2\le x\le2\pi에서곡선 y=∣3f(x)−k∣\displaystyle y=|3f(x)-k|와 직선 y=1\displaystyle y=1이 만나는 점의 개수는 2\displaystyle 2이다.

해설강의 준비중
+12점 · 정적분을 해결한 형태(별해1, 별해2 및 다른 방법 포함)를 제시
+5점 · ln⁡12f(a)=1\displaystyle \ln\frac1{2f(a)}=1임을 제시

[논제1] 치환적분법에 의하여1=∫0a2sin⁡x+12cos⁡x+sin⁡xcos⁡x dx=∫0a2sin⁡x+1(2+sin⁡x)2×2+sin⁡xcos⁡x dx=−∫0af′(x)f(x) dx=[−ln⁡∣f(x)∣]0a=ln⁡∣f(0)∣∣f(a)∣\displaystyle \begin{aligned}1&=\int_0^a\frac{2\sin x+1}{2\cos x+\sin x\cos x}\,dx\\&=\int_0^a\frac{2\sin x+1}{(2+\sin x)^2}\times\frac{2+\sin x}{\cos x}\,dx=-\int_0^a\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}\,dx\\&=\Biggl[-\ln|f(x)|\Biggr]_0^a=\ln\frac{|f(0)|}{|f(a)|}\end{aligned}이다.

+3점 · f(a)=12e\displaystyle f(a)=\frac1{2e}임을 제시

따라서 f(a)=12e\displaystyle f(a)=\frac1{2e}이다.

(별해1)1=∫0a2sin⁡x+12cos⁡x+sin⁡xcos⁡x dx=∫0asin⁡x(2+sin⁡x)+1−sin⁡2x2cos⁡x+sin⁡xcos⁡x dx=∫0atan⁡x dx+∫0acos⁡x2+sin⁡x dx=ln⁡12f(a)\displaystyle \begin{aligned}1&=\int_0^a\frac{2\sin x+1}{2\cos x+\sin x\cos x}\,dx\\&=\int_0^a\frac{\sin x(2+\sin x)+1-\sin^2x}{2\cos x+\sin x\cos x}\,dx\\&=\int_0^a\tan x\,dx+\int_0^a\frac{\cos x}{2+\sin x}\,dx=\ln\frac1{2f(a)}\end{aligned}

(별해2) 1=∫0a2sin⁡x+12cos⁡x+sin⁡xcos⁡x dx=∫0a(2sin⁡x+1)cos⁡xcos⁡2x(2+sin⁡x) dx\displaystyle 1=\int_0^a\frac{2\sin x+1}{2\cos x+\sin x\cos x}\,dx=\int_0^a\frac{(2\sin x+1)\cos x}{\cos^2x(2+\sin x)}\,dx에서 sin⁡x=t\displaystyle \sin x=t로 치환하면 ln⁡12f(a)=1\displaystyle \ln\frac1{2f(a)}=1이다.

+5점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극댓값 33\displaystyle \frac{\sqrt3}3, 극솟값 −33\displaystyle -\frac{\sqrt3}3을 제시

[논제2] 구간 [π2,2π]\displaystyle \left[\frac\pi2,2\pi\right]에서 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 구하자.f′(x)=−(2+sin⁡x)sin⁡x−cos⁡2x(2+sin⁡x)2=−2sin⁡x+1(2+sin⁡x)2=0\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{-(2+\sin x)\sin x-\cos^2x}{(2+\sin x)^2}=-\frac{2\sin x+1}{(2+\sin x)^2}=0으로부터 x=76π\displaystyle x=\frac76\pi일 때 극솟값 −33\displaystyle -\frac{\sqrt3}3을 갖고, x=116π\displaystyle x=\frac{11}6\pi일 때 극댓값 33\displaystyle \frac{\sqrt3}3을 갖는다.

+8점 · 구간 [π2,2π]\displaystyle \left[\frac\pi2,2\pi\right]에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형을 제시

또한∙f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0인 경우: 2sin⁡x+1<0\displaystyle 2\sin x+1<0, 즉 76π<x<116π\displaystyle \frac76\pi<x<\frac{11}6\pi에서 f(x)\displaystyle f(x)는 증가∙f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0인 경우: 2sin⁡x+1>0\displaystyle 2\sin x+1>0, 즉 π2≤x<76π\displaystyle \frac\pi2\le x<\frac76\pi 또는 116π<x≤2π\displaystyle \frac{11}6\pi<x\le2\pi에서 f(x)\displaystyle f(x)는 감소한다. 이를 이용하여 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 그리면 다음과 같다.

구간 π/2부터 2π까지에서 함수 cos x/(2+sin x)의 개형

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 개형

+12점 · −1−3<k≤−1,1−3,−1+3<k≤1,52≤k<1+3\displaystyle -1-\sqrt3<k\le-1,\quad1-\sqrt3,\quad-1+\sqrt3<k\le1,\quad\frac52\le k<1+\sqrt3임을 제시

∣3f(x)−k∣=1\displaystyle |3f(x)-k|=1은 f(x)=k−13\displaystyle f(x)=\frac{k-1}3, f(x)=k+13\displaystyle f(x)=\frac{k+1}3이므로 곡선 y=∣3f(x)−k∣\displaystyle y=|3f(x)-k|와 직선 y=1\displaystyle y=1의 교점의 개수가 2\displaystyle 2인 경우는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=k−13\displaystyle y=\frac{k-1}3의 교점과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=k+13\displaystyle y=\frac{k+1}3의 교점의 합이 2\displaystyle 2인 경우와 같다.두 직선 y=k−13\displaystyle y=\frac{k-1}3와 y=k+13\displaystyle y=\frac{k+1}3의 거리 d\displaystyle d가 23\displaystyle \frac23이고 d=23>33\displaystyle d=\frac23>\frac{\sqrt3}3, d=23>12\displaystyle d=\frac23>\frac12임에 주목하여 두 직선 y=k−13\displaystyle y=\frac{k-1}3와 y=k+13\displaystyle y=\frac{k+1}3을 동시에 움직이면서 교점의 개수의 합이 2\displaystyle 2인 경우를 살펴보면 구하는 k\displaystyle k의 값의 범위는(ⅰ) −33<k+13≤0\displaystyle -\frac{\sqrt3}3<\frac{k+1}3\le0 경우: −1−3<k≤−1\displaystyle -1-\sqrt3<k\le-1(ⅱ) k−13=−33\displaystyle \frac{k-1}3=-\frac{\sqrt3}3인 경우: k=1−3\displaystyle k=1-\sqrt3(ⅲ) 33−23<k−13≤0\displaystyle \frac{\sqrt3}3-\frac23<\frac{k-1}3\le0인 경우: −1+3<k≤1\displaystyle -1+\sqrt3<k\le1(ⅳ) 12≤k−13<33\displaystyle \frac12\le\frac{k-1}3<\frac{\sqrt3}3인 경우: 52≤k<1+3\displaystyle \frac52\le k<1+\sqrt3이다. 요약하면−1−3<k≤−1,1−3,−1+3<k≤1,52≤k<1+3\displaystyle -1-\sqrt3<k\le-1,\quad1-\sqrt3,\quad-1+\sqrt3<k\le1,\quad\frac52\le k<1+\sqrt3

두 수평선과 함수의 교점 개수: 경우 ii와 iii의 예

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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