수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1\displaystyle 1] 다음 문항에 대해 문항별로 구체적인 풀이 과정과 답을 제시하시오.

(1) 함수 f(x)=cos⁡x22−2sin⁡x(0≤x≤2π)\displaystyle f ( x ) = \frac{\cos x}{2 \sqrt{2} - 2 \sin x} ( 0 \le x \le 2 \pi )의 최솟값을 구하시오. (20\displaystyle 20점)

(2) 함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 다음과 같이 정의되어 있다.

f(x)={0(x<0)sin⁡x(0≤x≤π)0(x>π)\displaystyle f ( x ) = \begin{cases}0 & ( x < 0 ) \\ \sin x & ( 0 \le x \le \pi ) \\ 0 & ( x > \pi )\end{cases}

이때, ∫02π{f(x)+f(x−π2)}2dx\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) + f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x의 값을 구하시오. (50\displaystyle 50점)

(필요시 cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x=2cos⁡2x−1=1−2sin⁡2x\displaystyle \cos 2 x = \cos^{2} x - \sin^{2} x = 2 \cos^{2} x - 1 = 1 - 2 \sin^{2} x를 활용하시오.)

해설강의 준비중

[문제 1−1\displaystyle 1 - 1]

함수의 도함수를 구하면

f′(x)=−sin⁡x(22−2sin⁡x)−cos⁡x(−2cos⁡x)(22−2sin⁡x)2=2−22sin⁡x(22−2sin⁡x)2⋯⋯(1)\displaystyle f ^{\prime} ( x ) = \frac{- \sin x ( 2 \sqrt{2} - 2 \sin x ) - \cos x ( - 2 \cos x )}{( 2 \sqrt{2} - 2 \sin x )^{2}} = \frac{2 - 2 \sqrt{2} \sin x}{( 2 \sqrt{2} - 2 \sin x )^{2}}\cdots \cdots ( 1 )

f′(x)=0\displaystyle f ^{\prime} ( x ) = 0을 만족시키는 x\displaystyle x의 값은 2−22sin⁡x=0\displaystyle 2 - 2 \sqrt{2} \sin x = 0에서 x=π4\displaystyle x = \frac{\pi}{4}또는 x=34π⋯⋯(2)\displaystyle x = \frac{3}{4} \pi\cdots\cdots ( 2 )

함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

xx0⋯π4\frac\pi4⋯34π\frac34\pi⋯2π2\pi
f′(x)f^{\prime}(x)++0−0+ 
f(x)f(x)122\frac{1}{2\sqrt2}↗f(π4)f\left(\frac\pi4\right)
극대
↘f(34π)f\left(\frac34\pi\right)
극소
↗122\frac{1}{2\sqrt2}

이때 sin⁡34π=12,cos⁡34π=−12\displaystyle \sin \frac{3}{4} \pi = \frac{1}{\sqrt{2}} , \cos \frac{3}{4} \pi = - \frac{1}{\sqrt{2}}이므로

−1222−212=−122=−12⋯⋯(3)\displaystyle \frac{- \frac{1}{\sqrt{2}}}{2 \sqrt{2} - 2 \frac{1}{\sqrt{2}}} = \frac{- \frac{1}{\sqrt{2}}}{\sqrt{2}} = - \frac{1}{2}\cdots \cdots ( 3 )

따라서, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=34π\displaystyle x = \frac{3}{4} \pi에서 최소이고, 최솟값은 −12\displaystyle - \frac{1}{2}이다.

[문제 1−2\displaystyle 1 - 2]

sin⁡(x−π2)=−cos⁡x\displaystyle \sin \left( x - \frac{\pi}{2} \right) = - \cos x이므로 함수 f(x−π2)\displaystyle f \left( x - \frac{\pi}{2} \right)는 다음과 같다.

f(x−π2)={0(x<π2)−cos⁡x(π2≤x≤32π)0(x>32π)⋯⋯(4)\displaystyle f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) = \begin{cases}0 & \left( x < \frac{\pi}{2} \right) \\ - \cos x & \left( \frac{\pi}{2} \le x \le \frac{3}{2} \pi \right) \\ 0 & \left( x > \frac{3}{2} \pi \right)\end{cases}\cdots \cdots ( 4 )

이때, ∫02π{f(x)+f(x−π2)}2dx=∫02π{f(x)}2dx+2∫02πf(x)f(x−π2)dx+∫02π{f(x−π2)}2dx\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) + f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x= \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x + 2 \int_{0}^{2 \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x + \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x

이고, ∫02π{f(x)}2dx=∫0π{f(x)}2dx+∫π2π{f(x)}2dx=∫0π{f(x)}2dx=∫0πsin⁡2xdx=∫0π1−cos⁡2x2dx=12[x−12sin⁡2x]0π=π2⋯⋯(5)\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x = \int_{0}^{\pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x + \int_{\pi}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x = \int_{0}^{\pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x = \int_{0}^{\pi} \sin^{2} x d x = \int_{0}^{\pi} \frac{1 - \cos 2 x}{2} d x = \frac{1}{2} \Biggl[ x - \frac{1}{2} \sin 2 x \Biggr]_{0}^{\pi} = \frac{\pi}{2}\cdots \cdots ( 5 )

이고,

∫02π{f(x−π2)}2dx=∫0π2{f(x−π2)}2dx+∫π232π{f(x−π2)}2dx+∫32π2π{f(x−π2)}2dx\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3}{2} \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x + \int_{\frac{3}{2} \pi}^{2 \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x

=∫π232π{f(x−π2)}2dx=∫π232π(−cos⁡x)2dx\displaystyle = \int_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3}{2} \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x = \int_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3}{2} \pi} ( - \cos x )^{2} d x

=∫π232π1+cos⁡2x2dx=12[x+12sin⁡2x]π232π=π2⋯⋯(6)\displaystyle = \int_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3}{2} \pi} \frac{1 + \cos 2 x}{2} d x = \frac{1}{2} \Biggl[ x + \frac{1}{2} \sin 2 x \Biggr]_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3}{2} \pi} = \frac{\pi}{2}\cdots \cdots ( 6 )

이다. 한편, ∫02πf(x)f(x−π2)dx\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x

=∫0π2f(x)f(x−π2)dx+∫π2πf(x)f(x−π2)dx+∫π32πf(x)f(x−π2)dx+∫32π2πf(x)f(x−π2)dx\displaystyle = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x + \int_{\pi}^{\frac{3}{2} \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x + \int_{\frac{3}{2} \pi}^{2 \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x

=∫0π2sin⁡x×0dx+∫π2πsin⁡x×(−cos⁡x)dx+∫π32π0×(−cos⁡x)dx+∫32π2π0×0dx\displaystyle = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin x \times 0 d x + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} \sin x \times ( - \cos x ) d x + \int_{\pi}^{\frac{3}{2} \pi} 0 \times ( - \cos x ) d x + \int_{\frac{3}{2} \pi}^{2 \pi} 0 \times 0 d x

=0+∫π2πsin⁡x(−cos⁡x)dx+0+0=−[12sin⁡2x]π2π=12⋯⋯(7)\displaystyle = 0 + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} \sin x ( - \cos x ) d x + 0 + 0 = - \Biggl[ \frac{1}{2} \sin^{2} x \Biggr]_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} = \frac{1}{2}\cdots \cdots ( 7 )

이다. 따라서,

∫02π{f(x)+f(x−π2)}2dx\displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) + f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x

=∫02π{f(x)}2dx+2∫02πf(x)f(x−π2)dx+∫02π{f(x−π2)}2dx\displaystyle = \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) \right\}^{2} d x + 2 \int_{0}^{2 \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x + \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x

=π2+2×12+π2=π+1⋯⋯(8)\displaystyle = \frac{\pi}{2} + 2 \times \frac{1}{2} + \frac{\pi}{2} = \pi + 1\cdots \cdots ( 8 )

하위 문항채점 기준배점
(1)주어진 영역에서 함수의 최솟값을 정확히 구한 경우 (+20점) - 20점 : (1)과 (2)를 구하고, 증감표를 이용하거나 극값과 경계값을 비교하여 최솟값(3)을 구한 경우 - 15점 : 도함수를 구하여 극값을 갖는 조건을 (2)와 같이 얻은 경우 도함수를 정확히 구하고 극값을 갖는 조건을 1개만 구한 경우 12점 - 10점 : 몫으로 표현된 함수를 미분하여 도함수를 (1)과 같이 구한 경우 도함수를 구하는 과정에서 미분은 정확하게 했으나 계산 오류로 잘못된 결과를 얻은 경우 3점 - 0점 : 문제의 의미를 알지 못함20
(2)주어진 함수의 정적분 값을 정확히 구하면 +50점 - 50점 : 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6), (7) 및 정적분 값(8)까지 정확히 구한 경우 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 명시하지 않았으나 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6), (7), (8) 모두 정확히 구한 경우 50점 - 45점 : 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6), (7) 모두 정확히 구한 경우 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 명시하지 않았으나 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6), (7) 모두 정확히 구한 경우 45점 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6), (7) 중 두 개를 정확히 구하고, 나머지 하나를 구하는 과정에서 단순 계산 오류가 있으면 40점 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6), (7) 중 한 개를 정확히 구하고, 나머지 두 개를 구하는 과정에서 각각 단순 계산 오류가 있으면 35점 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6), (7)을 하나도 정확히 구하지 못하였으나, 구하는 과정이 맞고 구하는 과정에서 각각 단순 계산 오류가 있으면 30점 - 30점 : 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6) 중 두 개를 정확히 구한 경우 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 명시하지 않았으나, 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6) 두 개를 정확히 구한 경우 30점 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6) 중 하나를 정확히 구하고, 나머지 하나를 구하는 과정에서 계산 오류가 있으면 25점 - 20점 : 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구하고 (5), (6) 중 한 개를 정확히 구한 경우 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 명시하지 않았으나, 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6) 중 한 개를 정확히 구한 경우 20점 - 10점 : 함수 f(x−π2)\displaystyle f(x-\frac{\pi}{2})를 구한 경우 - 0점 : 문제의 의미를 알지 못함50

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