수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[ 문제 2 ]

모든 실수에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 다음 세 조건을 만족한다.

(가) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)>0\displaystyle f ( x ) > 0

(나) 모든 실수 x,y\displaystyle x , y에 대하여 f(x+y)=exyf(x)f(y)\displaystyle f ( x + y ) = e^{x y} f ( x ) f ( y )

(다) f′(0)=1\displaystyle f ^{\prime} ( 0 ) = 1

이 때, 아래 문항에 답하시오.

(1) 도함수의 정의를 활용하여 f(x)\displaystyle f ( x )와 f′(x)\displaystyle f ^{\prime} ( x )의 관계를 구하시오. (20\displaystyle 20점)

(2) 함수 f(x)\displaystyle f ( x )를 구하시오. (10\displaystyle 10점)

(3) 함수 f(sin⁡x)⋅f(cos⁡x)(0≤x≤2π)\displaystyle f ( {\sin} x ) \cdot f ( {\cos} x ) ( 0 \le x \le 2 \pi )의 극댓값과 극솟값을 구하시오. (30\displaystyle 30점)

해설강의 준비중

[문제 2-1]

(1) 도함수의 정의를 이용하여,

lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0exhf(x)f(h)−f(x)h=f(x)×lim⁡h→0exhf(h)−1h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0} \frac{f ( x + h ) - f ( x )}{h}= \lim_{h \rightarrow 0} \frac{e^{x h} f ( x ) f ( h ) - f ( x )}{h}= f ( x ) \times \lim_{h \rightarrow 0} \frac{e^{x h} f ( h ) - 1}{h}

=f(x)×lim⁡h→0{exh(f(h)−1)+(exh−1)h}⋯⋯⋯\displaystyle = f ( x ) \times \lim_{h \rightarrow 0} \left\{ \frac{e^{x h} ( f ( h ) - 1 ) + \left( e^{x h} - 1 \right)}{h} \right\}\cdots \cdots \cdots(1)

=f(x)×lim⁡h→0{exh(f(h)−1)h+exh−1h}⋯⋯⋯\displaystyle = f ( x ) \times \lim_{h \rightarrow 0} \left\{ \frac{e^{x h} ( f ( h ) - 1 )}{h} + \frac{e^{x h} - 1}{h} \right\}\cdots \cdots \cdots(1a)

=f(x)×lim⁡h→0{exh(f(h)−f(0))h+exh−1xhx}(f(x+y)=exyf(x)f(y)\displaystyle = f ( x ) \times \lim_{h \rightarrow 0} \left\{ \frac{e^{x h} ( f ( h ) - f ( 0 ) )}{h} + \frac{e^{x h} - 1}{x h} x \right\}( f ( x + y ) = e^{x y} f ( x ) f ( y ) 에서x=0,y=0\displaystyle x = 0 , y = 0 을 넣으면f(0)=f(0)×f(0)\displaystyle f ( 0 ) = f ( 0 ) \times f ( 0 ) 이고f(0)>0\displaystyle f ( 0 ) > 0 이므로f(0)=1)\displaystyle f ( 0 ) = 1 )

=f(x)(f′(0)+x)=f(x)(1+x)⋯⋯⋯\displaystyle = f ( x ) \left( f ^{\prime} ( 0 ) + x \right) = f ( x ) ( 1 + x )\cdots \cdots \cdots(2)

∴f′(x)=f(x)(1+x)→f′(x)f(x)=1+x⋯⋯⋯\displaystyle \therefore f ^{\prime} ( x ) = f ( x ) ( 1 + x ) \rightarrow \frac{f ^{\prime} ( x )}{f ( x )} = 1 + x\cdots \cdots \cdots(2a)

[문제 2-2]

f′(x)f(x)=1+x\displaystyle \frac{f ^{\prime} ( x )}{f ( x )} = 1 + x 에서 양변을 x\displaystyle x에 대하여 적분하면

ln⁡f(x)=12x2+x+C⋯⋯⋯\displaystyle {\ln} f ( x ) = \frac{1}{2} x^{2} + x + C\cdots \cdots \cdots (3)

위의에서 f(0)>0\displaystyle f ( 0 ) > 0이고, f(0)=1\displaystyle f ( 0 ) = 1이므로 C=0\displaystyle C = 0

ln⁡f(x)=12x2+x\displaystyle {\ln} f ( x ) = \frac{1}{2} x^{2} + x이고 ∴f(x)=e12x2+x⋯⋯⋯\displaystyle \therefore f ( x ) = e^{\frac{1}{2} x^{2} + x}\cdots \cdots \cdots(4)

[문제 2-3]

0≤x≤2π\displaystyle 0 \le x \le 2 \pi 에서 f(sin⁡x)⋅f(cos⁡x)=e12sin⁡2x+sin⁡x⋅e12cos⁡2x+cos⁡x\displaystyle f ( {\sin} x ) \cdot f ( {\cos} x ) = e^{\frac{1}{2} {\sin}^{2} x + {\sin} x} \cdot e^{\frac{1}{2} {\cos}^{2} x + {\cos} x}

=e12(sin⁡2x+cos⁡2x)+sin⁡x+cos⁡x=e(12+sin⁡x+cos⁡x)⋯⋯⋯\displaystyle = e^{\frac{1}{2} \left( {\sin}^{2} x + {\cos}^{2} x \right) + {\sin} x + {\cos} x} = e^{\left( \frac{1}{2} + {\sin} x + {\cos} x \right)}\cdots \cdots \cdots(5)

이 함수의 개형은 아래와 같이 얻을 수 있다.

도함수는 (cos⁡x−sin⁡x)e12+sin⁡x+cos⁡x\displaystyle ( {\cos} x - {\sin} x ) e^{\frac{1}{2} + {\sin} x + {\cos} x}이며

cos⁡x=sin⁡x\displaystyle {\cos} x = {\sin} x일 때 즉, x=π4\displaystyle x = \frac{\pi}{4}또는 x=54π\displaystyle x = \frac{5}{4} \pi에서 극값이 존재할 수 있다. ⋯\displaystyle \cdots (6)

x=π4\displaystyle x = \frac{\pi}{4}에서 도함수의 부호가 양에서 음으로 변화하므로 극댓값 e12+2\displaystyle e^{\frac{1}{2} + \sqrt{2}}를 가진다.⋯\displaystyle \text{가진다.}\cdots(7)

x=54π\displaystyle x = \frac{5}{4} \pi에서 도함수의 부호가 음에서 양으로 변화하므로 극솟값 e12−2\displaystyle e^{\frac{1}{2} - \sqrt{2}}를 가진다⋯\displaystyle \cdots(8)

하위 문항채점 기준배점
(1)주어진 관계식을 도함수의 정의에 적용한 식으로부터 도함수와 함수 사이의 관계식을 구한 경우 [예시답안 (2) 또는 (2a)까지 구한 경우]20
(1)주어진 관계식을 도함수의 정의에 적용하여 변형한 경우 [예시답안 (1) 또는 (1a)까지 구한 경우]10
(1)문제의 의미를 알지 못함0
(2)주어진 조건을 통해 상수를 구하고 함수까지 얻은 경우 [예시답안 (4)까지 구한 경우]10
(2)치환 적분을 통해 부정적분을 얻은 예시답안 (3)까지 구한 경우6
(2)문제의 의미를 알지 못함0
(3)삼각함수와 지수함수 특성을 통해 극솟값까지 구한 경우 [예시답안 (8)까지 구한 경우]30
(3)삼각함수와 지수함수 특성을 통해 극댓값을 구한 경우 [예시답안 (7)까지 구한 경우]24
(3)도함수를 구하고 극값이 존재하는 존재하는지 구한 경우 [예시답안 (6)까지 구한 경우]18
(3)지수법칙과 삼각함수 공식을 활용해 함수를 간략화한 경우 [예시답안 (5)까지 구한 경우]6
(3)문제의 의미를 알지 못함0

※ 채점 기준 충족 정도에 따라 부분점수가 부여될 수 있음

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