수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

오류 제보

문제

[문제2] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (45점)

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린구간에서 미분가능하고, 이 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여∙f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 이 구간에서 증가한다.∙f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 이 구간에서 감소한다.

(나) 함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y에서 정의역 X\displaystyle X의 임의의 두 원소 x1,x2\displaystyle x_1,x_2에 대하여x1≠x2\displaystyle x_1\ne x_2이면 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f(x_1)\ne f(x_2)가 성립할 때, 이 함수 f\displaystyle f를 일대일함수라고 한다.

(다) 함수 f(x)\displaystyle f(x)에서 x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여f(x)≤f(a)\displaystyle f(x)\le f(a)이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대, 그때의 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)를 극댓값이라고 하고,f(x)≥f(a)\displaystyle f(x)\ge f(a)이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소, 그때의 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)를 극솟값이라고 하며,극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 한다.

함수 f(x)=2x1+x2\displaystyle f(x)=\frac{2x}{1+x^2}에 대하여 다음 물음에 답하시오.

[논제1] 다음 조건을 만족시키는 실수 a\displaystyle a의 값의 범위를 구하시오. (20점)

b<a<c\displaystyle b<a<c인 어떤 음수 b\displaystyle b와 어떤 양수 c\displaystyle c에 대하여닫힌구간 [b,c]\displaystyle [b,c]에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 일대일함수이다.

[논제2] 함수 A(x)=∫01∣f(t)−x∣ dt\displaystyle A(x)=\int_0^1|f(t)-x|\,dt에 대하여 다음 조건을 만족시키는 실수 c\displaystyle c와 양수 k\displaystyle k의 값을 구하시오. (25점)

(1) A(x)\displaystyle A(x)는 x=c\displaystyle x=c에서 극값을 갖는다.(2) A(k)=ln⁡2\displaystyle A(k)=\ln2

해설강의 준비중
+8점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 일대일함수의 조건을 만족하는 구간을 제시

[논제1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (−1,1)\displaystyle (-1,1)에서 f′(x)=2(1−x2)(1+x2)2>0\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{2(1-x^2)}{(1+x^2)^2}>0이므로 증가하고, 또한 구간 (−∞,−1)\displaystyle (-\infty,-1)와 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 감소한다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형을 그리면 다음과 같다.

극솟값 -1과 극댓값 1을 갖는 함수 2x/(1+x²)의 그래프

닫힌구간 [b,c]\displaystyle [b,c]에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 일대일함수이기 위해서는 구간 [b,c]\displaystyle [b,c]가 다음의 세 가지 경우 중 하나를 만족하여야 한다.(경우1) [b,c]⊂(−∞,−1]\displaystyle [b,c]\subset(-\infty,-1](경우2) [b,c]⊂[1,∞)\displaystyle [b,c]\subset[1,\infty)(경우3) [b,c]⊂[−1,1]\displaystyle [b,c]\subset[-1,1]

+12점 · 정답 (−1,1)\displaystyle (-1,1)을 제시

(경우1)은 c≤−1\displaystyle c\le-1이므로 c\displaystyle c가 양의 실수임에 위배된다.(경우2)에서 b≥1\displaystyle b\ge1이므로, b\displaystyle b가 음의 실수임에 위배된다.(경우3)에서 a∈(−1,1)\displaystyle a\in(-1,1)이면, 조건을 만족하는 음의 실수 b\displaystyle b와 양의 실수 c\displaystyle c가 존재한다. 만일 a=−1\displaystyle a=-1이면 b<−1\displaystyle b<-1이어야 하므로, a≠−1\displaystyle a\ne-1이다. 마찬가지 이유로 a≠1\displaystyle a\ne1이다.따라서 a\displaystyle a의 범위는 (−1,1)\displaystyle (-1,1)이다.

+5점 · A(x)\displaystyle A(x)를 구간별로 적분하여 x\displaystyle x에 대한 식으로 제시

[논제2](ⅰ) A(x)\displaystyle A(x) 구하기실수 x\displaystyle x의 구간을 x<0\displaystyle x<0, 0≤x<1\displaystyle 0\le x<1, x≥1\displaystyle x\ge1인 경우로 나누어 각각의 경우에서 조건을 만족시키는 A(x)\displaystyle A(x)를 구한다.(경우1) x<0\displaystyle x<0: 0≤f(t)≤1\displaystyle 0\le f(t)\le1이므로A(x)=∫01∣f(t)−x∣ dt=∫01(f(t)−x) dt=∫012t1+t2 dt−x=ln⁡2−x\displaystyle A(x)=\int_0^1|f(t)-x|\,dt=\int_0^1(f(t)-x)\,dt=\int_0^1\frac{2t}{1+t^2}\,dt-x=\ln2-x(경우2) 0≤x<1\displaystyle 0\le x<1: 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 f(t)\displaystyle f(t)는 일대일함수이므로 역함수 g(t)\displaystyle g(t)가 존재한다.A(x)=∫01∣f(t)−x∣ dt=∫0g(x)(x−f(t)) dt+∫g(x)1(f(t)−x) dt=ln⁡2−2ln⁡(1+[g(x)]2)−x+2xg(x)\displaystyle \begin{aligned}A(x)&=\int_0^1|f(t)-x|\,dt=\int_0^{g(x)}(x-f(t))\,dt+\int_{g(x)}^1(f(t)-x)\,dt\\&=\ln2-2\ln(1+[g(x)]^2)-x+2xg(x)\end{aligned}(경우3) x≥1\displaystyle x\ge1: (경우1)과 동일한 방법으로 A(x)=x−ln⁡2\displaystyle A(x)=x-\ln2그러므로A(x)={ln⁡2−x(x<0)ln⁡2−2ln⁡(1+[g(x)]2)−x+2xg(x)(0≤x<1)x−ln⁡2(x≥1)\displaystyle A(x)=\begin{cases}\ln2-x&(x<0)\\\ln2-2\ln(1+[g(x)]^2)-x+2xg(x)&(0\le x<1)\\x-\ln2&(x\ge1)\end{cases}

+10점 · c=45\displaystyle c=\frac45임을 제시

(ⅱ) c\displaystyle c 구하기x<0\displaystyle x<0일 때 A′(x)=−1\displaystyle A^{\prime}(x)=-1이고, x≥1\displaystyle x\ge1일 때 A′(x)=1\displaystyle A^{\prime}(x)=1이다.0≤x<1\displaystyle 0\le x<1일 때, 2g(x)1+[g(x)]2=f(g(x))=x\displaystyle \frac{2g(x)}{1+[g(x)]^2}=f(g(x))=x이므로A′(x)=−22g(x)1+[g(x)]2[g(x)]′−1+2g(x)+2x[g(x)]′=2g(x)−1\displaystyle A^{\prime}(x)=-2\frac{2g(x)}{1+[g(x)]^2}[g(x)]^{\prime}-1+2g(x)+2x[g(x)]^{\prime}=2g(x)-1A′(x)=0\displaystyle A^{\prime}(x)=0에서 g(x)=12\displaystyle g(x)=\frac12이므로 x=f(12)=45\displaystyle x=f\left(\frac12\right)=\frac45이다. f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 g′(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이고, A′′(x)=2g′(x)>0\displaystyle A^{\prime\prime}(x)=2g^{\prime}(x)>0이므로 A(x)\displaystyle A(x)는 x=45\displaystyle x=\frac45에서 극솟값을 갖는다. 따라서 c=45\displaystyle c=\frac45이다.

[참고] A′(0)=lim⁡x→0−A(x)−A(0)x=lim⁡x→0+A(x)−A(0)x=−1\displaystyle A^{\prime}(0)=\lim_{x\to0-}\frac{A(x)-A(0)}x=\lim_{x\to0+}\frac{A(x)-A(0)}x=-1이고, 마찬가지 방법으로 A′(1)=1\displaystyle A^{\prime}(1)=1이다.

+10점 · k=2ln⁡2\displaystyle k=2\ln2임을 제시

(ⅲ) A(k)=ln⁡2\displaystyle A(k)=\ln2인 k\displaystyle k 구하기 (k>0\displaystyle k>0)A(x)\displaystyle A(x)는 아래로 볼록하고 A(0)=ln⁡2\displaystyle A(0)=\ln2, A(1)=1−ln⁡2\displaystyle A(1)=1-\ln2이다.∙0<x≤1\displaystyle 0<x\le1에서 A(x)=ln⁡2\displaystyle A(x)=\ln2를 만족하는 x\displaystyle x는 존재하지 않는다.∙x>1\displaystyle x>1에서 A(x)=x−ln⁡2=ln⁡2\displaystyle A(x)=x-\ln2=\ln2인 x=2ln⁡2\displaystyle x=2\ln2이다.따라서 k=2ln⁡2\displaystyle k=2\ln2이다.

x=4/5에서 극솟값을 갖고 A(0)=ln2, A(1)=1-ln2인 A의 그래프

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.