[문제 1 − 1 \displaystyle 1 - 1 1 − 1 ]
함수의 도함수를 구하면
f ′ ( x ) = − sin x ( 2 2 − 2 sin x ) − cos x ( − 2 cos x ) ( 2 2 − 2 sin x ) 2 = 2 − 2 2 sin x ( 2 2 − 2 sin 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 ) = ( 2 2 − 2 sin x ) 2 − sin x ( 2 2 − 2 sin x ) − cos x ( − 2 cos x ) = ( 2 2 − 2 sin x ) 2 2 − 2 2 sin x ⋯⋯ ( 1 )
f ′ ( x ) = 0 \displaystyle f ^{\prime} ( x ) = 0 f ′ ( x ) = 0 을 만족시키는 x \displaystyle x x 의 값은 2 − 2 2 sin x = 0 \displaystyle 2 - 2 \sqrt{2} \sin x = 0 2 − 2 2 sin x = 0 에서 x = π 4 \displaystyle x = \frac{\pi}{4} x = 4 π 또는 x = 3 4 π ⋯ ⋯ ( 2 ) \displaystyle x = \frac{3}{4} \pi\cdots\cdots ( 2 ) x = 4 3 π ⋯⋯ ( 2 )
함수 f ( x ) \displaystyle f ( x ) f ( x ) 의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.
이때 sin 3 4 π = 1 2 , cos 3 4 π = − 1 2 \displaystyle \sin \frac{3}{4} \pi = \frac{1}{\sqrt{2}} , \cos \frac{3}{4} \pi = - \frac{1}{\sqrt{2}} sin 4 3 π = 2 1 , cos 4 3 π = − 2 1 이므로
− 1 2 2 2 − 2 1 2 = − 1 2 2 = − 1 2 ⋯ ⋯ ( 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 ) 2 2 − 2 2 1 − 2 1 = 2 − 2 1 = − 2 1 ⋯⋯ ( 3 )
따라서, 함수 f ( x ) \displaystyle f ( x ) f ( x ) 는 x = 3 4 π \displaystyle x = \frac{3}{4} \pi x = 4 3 π 에서 최소이고, 최솟값은 − 1 2 \displaystyle - \frac{1}{2} − 2 1 이다.
[문제 1 − 2 \displaystyle 1 - 2 1 − 2 ]
sin ( x − π 2 ) = − cos x \displaystyle \sin \left( x - \frac{\pi}{2} \right) = - \cos x sin ( x − 2 π ) = − cos x 이므로 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) f ( x − 2 π ) 는 다음과 같다.
f ( x − π 2 ) = { 0 ( x < π 2 ) − cos x ( π 2 ≤ x ≤ 3 2 π ) 0 ( x > 3 2 π ) ⋯ ⋯ ( 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 ) f ( x − 2 π ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 − cos x 0 ( x < 2 π ) ( 2 π ≤ x ≤ 2 3 π ) ( x > 2 3 π ) ⋯⋯ ( 4 )
이때, ∫ 0 2 π { f ( x ) + f ( x − π 2 ) } 2 d x = ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x + 2 ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x + ∫ 0 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x \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 ∫ 0 2 π { f ( x ) + f ( x − 2 π ) } 2 d x = ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x + 2 ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x + ∫ 0 2 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x
이고, ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π { f ( x ) } 2 d x + ∫ π 2 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π sin 2 x d x = ∫ 0 π 1 − cos 2 x 2 d x = 1 2 [ x − 1 2 sin 2 x ] 0 π = π 2 ⋯ ⋯ ( 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 ) ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π { f ( x ) } 2 d x + ∫ π 2 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π { f ( x ) } 2 d x = ∫ 0 π sin 2 x d x = ∫ 0 π 2 1 − cos 2 x d x = 2 1 [ x − 2 1 sin 2 x ] 0 π = 2 π ⋯⋯ ( 5 )
이고,
∫ 0 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x = ∫ 0 π 2 { f ( x − π 2 ) } 2 d x + ∫ π 2 3 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x + ∫ 3 2 π 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x \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 ∫ 0 2 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x = ∫ 0 2 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x + ∫ 2 π 2 3 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x + ∫ 2 3 π 2 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x
= ∫ π 2 3 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x = ∫ π 2 3 2 π ( − cos x ) 2 d x \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 = ∫ 2 π 2 3 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x = ∫ 2 π 2 3 π ( − cos x ) 2 d x
= ∫ π 2 3 2 π 1 + cos 2 x 2 d x = 1 2 [ x + 1 2 sin 2 x ] π 2 3 2 π = π 2 ⋯ ⋯ ( 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 ) = ∫ 2 π 2 3 π 2 1 + cos 2 x d x = 2 1 [ x + 2 1 sin 2 x ] 2 π 2 3 π = 2 π ⋯⋯ ( 6 )
이다. 한편, ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x \displaystyle \int_{0}^{2 \pi} f ( x ) f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) d x ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x
= ∫ 0 π 2 f ( x ) f ( x − π 2 ) d x + ∫ π 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x + ∫ π 3 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x + ∫ 3 2 π 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x \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 = ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x + ∫ 2 π π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x + ∫ π 2 3 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x + ∫ 2 3 π 2 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x
= ∫ 0 π 2 sin x × 0 d x + ∫ π 2 π sin x × ( − cos x ) d x + ∫ π 3 2 π 0 × ( − cos x ) d x + ∫ 3 2 π 2 π 0 × 0 d x \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 2 π sin x × 0 d x + ∫ 2 π π sin x × ( − cos x ) d x + ∫ π 2 3 π 0 × ( − cos x ) d x + ∫ 2 3 π 2 π 0 × 0 d x
= 0 + ∫ π 2 π sin x ( − cos x ) d x + 0 + 0 = − [ 1 2 sin 2 x ] π 2 π = 1 2 ⋯ ⋯ ( 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 ) = 0 + ∫ 2 π π sin x ( − cos x ) d x + 0 + 0 = − [ 2 1 sin 2 x ] 2 π π = 2 1 ⋯⋯ ( 7 )
이다. 따라서,
∫ 0 2 π { f ( x ) + f ( x − π 2 ) } 2 d x \displaystyle \int_{0}^{2 \pi} \left\{ f ( x ) + f \left( x - \frac{\pi}{2} \right) \right\}^{2} d x ∫ 0 2 π { f ( x ) + f ( x − 2 π ) } 2 d x
= ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x + 2 ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − π 2 ) d x + ∫ 0 2 π { f ( x − π 2 ) } 2 d x \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 = ∫ 0 2 π { f ( x ) } 2 d x + 2 ∫ 0 2 π f ( x ) f ( x − 2 π ) d x + ∫ 0 2 π { f ( x − 2 π ) } 2 d x
= π 2 + 2 × 1 2 + π 2 = π + 1 ⋯ ⋯ ( 8 ) \displaystyle = \frac{\pi}{2} + 2 \times \frac{1}{2} + \frac{\pi}{2} = \pi + 1\cdots \cdots ( 8 ) = 2 π + 2 × 2 1 + 2 π = π + 1 ⋯⋯ ( 8 )
하위 문항 채점 기준 배점 (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 못함 20 (2) 주어진 함수의 정적분 값을 정확히 구하면 +50점
- 50점 : 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6), (7) 및 정적분 값(8)까지 정확히 구한 경우 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 명시하지 않았으나 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6), (7), (8) 모두 정확히 구한 경우 50점
- 45점 : 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6), (7) 모두 정확히 구한 경우 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 명시하지 않았으나 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6), (7) 모두 정확히 구한 경우 45점 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6), (7) 중 두 개를 정확히 구하고, 나머지 하나를 구하는 과정에서 단순 계산 오류가 있으면 40점 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6), (7) 중 한 개를 정확히 구하고, 나머지 두 개를 구하는 과정에서 각각 단순 계산 오류가 있으면 35점 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 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 − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6) 중 두 개를 정확히 구한 경우 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 명시하지 않았으나, 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6) 두 개를 정확히 구한 경우 30점 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6) 중 하나를 정확히 구하고, 나머지 하나를 구하는 과정에서 계산 오류가 있으면 25점
- 20점 : 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구하고 (5), (6) 중 한 개를 정확히 구한 경우 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 명시하지 않았으나, 풀이 과정에 명시한 것과 동등한 내용이 포함되어 있고, (5), (6) 중 한 개를 정확히 구한 경우 20점
- 10점 : 함수 f ( x − π 2 ) \displaystyle f(x-\frac{\pi}{2}) f ( x − 2 π ) 를 구한 경우
- 0점 : 문제의 의미를 알지 못함 50