수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

다음 문제를 읽고 구체적인 풀이과정과 답을 제시하시오. [70\displaystyle 70점]

I(t)\displaystyle I ( t )는 0≤t≤23\displaystyle 0 \le t \le \sqrt[3]{2}에서 정의된 함수이며 I(t)=∫023x2∣f(t)−f(x)∣dx\displaystyle I ( t ) = \int_{0}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} | f ( t ) - f ( x ) | d x이다.

단 f(x)\displaystyle f ( x )는 다음 조건을 만족시키는 함수이다.

- 0≤x≤23\displaystyle 0 \le x \le \sqrt[3]{2}에서 연속이다.

- 0<x<23\displaystyle 0 < x < \sqrt[3]{2}에서 미분가능하다.

- f′(x)>0\displaystyle f ^{\prime} ( x ) > 0

I(t)\displaystyle I ( t )가 최소가 되는 t\displaystyle t를 구하시오.

해설강의 준비중

f′(x)>0\displaystyle f ^{\prime} ( x ) > 0이므로 f(x)\displaystyle f ( x )는 단순 증가 함수이다.

0≤x≤t\displaystyle 0 \le x \le t일 때 ∣f(t)−f(x)∣=f(t)−f(x)\displaystyle | f ( t ) - f ( x ) | = f ( t ) - f ( x )이며, t<x≤23\displaystyle t < x \le \sqrt[3]{2}일 때 ∣f(t)−f(x)∣=f(x)−f(t)\displaystyle | f ( t ) - f ( x ) | = f ( x ) - f ( t )이다.

따라서

I(t)=∫023x2∣f(t)−f(x)∣dx\displaystyle I ( t ) = \int_{0}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} | f ( t ) - f ( x ) | d x

=∫0tx2{f(t)−f(x)}dx+∫t23x2{f(x)−f(t)}dx⋯⋯\displaystyle = \int_{0}^{t} x^{2} \left\{ f ( t ) - f ( x ) \right\} d x + \int_{t}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} \left\{ f ( x ) - f ( t ) \right\} d x\cdots \cdots(1)

=f(t)∫0tx2dx−∫0tx2f(x)dx+∫t23x2f(x)dx−f(t)∫t23x2dx\displaystyle = f ( t ) \int_{0}^{t} x^{2} d x - \int_{0}^{t} x^{2} f ( x ) d x + \int_{t}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} f ( x ) d x - f ( t ) \int_{t}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} d x

=t33f(t)−(23−t33)f(t)−∫0tx2f(x)dx+∫t23x2f(x)dx\displaystyle = \frac{t^{3}}{3} f ( t ) - \left( \frac{2}{3} - \frac{t^{3}}{3} \right) f ( t ) - \int_{0}^{t} x^{2} f ( x ) d x + \int_{t}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} f ( x ) d x

=23(t3−1)f(t)−∫0tx2f(x)dx+∫t23x2f(x)dx⋯⋯\displaystyle = \frac{2}{3} \left( t^{3} - 1 \right) f ( t ) - \int_{0}^{t} x^{2} f ( x ) d x + \int_{t}^{\sqrt[3]{2}} x^{2} f ( x ) d x\cdots \cdots(2)

함수 I(t)\displaystyle I ( t )의 도함수를 구하면 다음과 같다.

I′(t)=2t2f(t)+23(t3−1)f′(t)−t2f(t)−t2f(t)\displaystyle I ^{\prime} ( t ) = 2 t^{2} f ( t ) + \frac{2}{3} \left( t^{3} - 1 \right) f ^{\prime} ( t ) - t^{2} f ( t ) - t^{2} f ( t )

=23(t3−1)f′(t)=23(t−1)(t2+t+1)f′(t)⋯⋯\displaystyle = \frac{2}{3} \left( t^{3} - 1 \right) f ^{\prime} ( t ) = \frac{2}{3} ( t - 1 ) \left( t^{2} + t + 1 \right) f ^{\prime} ( t )\cdots \cdots(3)

t2+t+1>0\displaystyle t^{2} + t + 1 > 0이고 문제의 조건으로부터 f′(t)>0\displaystyle f ^{\prime} ( t ) > 0이므로 I(t)\displaystyle I ( t )가 정의된 구간 내에서 t=1\displaystyle t = 1에서만

I′(t)\displaystyle I ^{\prime} ( t )가 0\displaystyle 0이 된다. ⋯⋯\displaystyle \cdots \cdots(4)

함수 I(t)\displaystyle I ( t )의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

t\displaystyle t0\displaystyle 0⋯\displaystyle \cdots1\displaystyle 1⋯\displaystyle \cdots23\displaystyle \sqrt[3]{2}
I′(t)\displaystyle I ^{\prime} ( t )-0\displaystyle 0+
I(t)\displaystyle I ( t )↘\displaystyle \searrow극소↗\displaystyle \nearrow

따라서 t=1\displaystyle t = 1일 때 I(t)\displaystyle I ( t )가 최소가 된다. ⋯⋯\displaystyle \cdots \cdots(5)

하위 문항채점 기준배점
2식 (1)을 정확히 세운 다음 (2)와 같이 I(t)\displaystyle I(t)를 정확히 얻어내고 (3)과 같이 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)를 정확히 구한 다음 문제의 주어진 조건으로부터 t=1\displaystyle t=1에서만 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)가 0이 된다는 점을 지적한 다음 증가와 감소를 나타낸 표 등을 이용하여 t=1\displaystyle t=1일 때 I(t)\displaystyle I(t)가 최소가 된다는 것을 보인 경우70
2식 (1)을 정확히 세운 다음 (2)와 같이 I(t)\displaystyle I(t)를 정확히 얻어내고 (3)과 같이 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)를 정확히 구하였으나 f′(t)>0\displaystyle f^{\prime}(t)>0이라는 조건을 간과하는 등의 이유로 정의된 구간 내에서 t=1\displaystyle t=1에서만 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)가 0이 된다는 것을 제대로 보이지 못하여 정답을 도출해 내지 못한 경우60
2식 (1)을 정확히 세운 다음 (2)와 같이 I(t)\displaystyle I(t)를 정확히 얻어내었으나 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)를 구하는 과정에서의 오류로 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)를 정확히 얻어 내지 못한 경우40
2식 (1)을 정확히 세웠으나 적분 과정에서의 오류로 (2)를 정확히 얻어 내지 못한 경우20
2x\displaystyle x의 범위를 0≤x≤t\displaystyle 0≤x≤t와 t<x≤23\displaystyle t<x≤\sqrt[3]{2}로 적절히 나누었으나 식 (1)의 부호를 반대, 즉 I(t)=∫0tx2{f(x)−f(t)}dx+∫t23x2{f(t)−f(x)}dx\displaystyle I(t)=\int_0^t x^2\{f(x)-f(t)\}dx+\int_t^{\sqrt[3]{2}}x^2\{f(t)-f(x)\}dx로 세운 경우
2이후 I′(t)=23(1−t)(t2+t+1)f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=\frac23(1-t)(t^2+t+1)f^{\prime}(t)를 얻어 낸 다음 t=1\displaystyle t=1에서만 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)가 0이 된다는 점을 지적하는 것까지 성공하고 증가와 감소를 나타낸 표 등을 이용하여 t=0\displaystyle t=0 또는 t=23\displaystyle t=\sqrt[3]{2}에서 I(t)\displaystyle I(t)가 최소가 된다고 답한 경우45
2이후 I′(t)=23(1−t)(t2+t+1)f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=\frac23(1-t)(t^2+t+1)f^{\prime}(t)를 얻어 낸 다음 t=1\displaystyle t=1에서만 I′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)가 0이 된다는 점을 지적하는 것까지 성공하고 t=1\displaystyle t=1일 때 I(t)\displaystyle I(t)가 최소임을 답한 경우25
2이후 적분 과정에서의 오류로 이후의 풀이를 제대로 제시하지 못한 경우10
2I(t)=∫023x2{f(t)−f(x)}dx\displaystyle I(t)=\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2\{f(t)-f(x)\}dx 또는 I(t)=∫023x2{f(x)−f(t)}dx\displaystyle I(t)=\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2\{f(x)-f(t)\}dx로 적분한 경우
2I(t)=∫023x2{f(t)−f(x)}dx=23f(t)−∫023x2f(x)dx\displaystyle I(t)=\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2\{f(t)-f(x)\}dx=\frac23f(t)-\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2f(x)dx, 따라서 I′(t)=23f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=\frac23f^{\prime}(t)임을 보이고 I′(t)>0\displaystyle I^{\prime}(t)>0이므로 t=0\displaystyle t=0일 때 I(t)\displaystyle I(t)가 최소임을 답한 경우15
2I(t)=∫023x2{f(x)−f(t)}dx=∫023x2f(x)dx−23f(t)\displaystyle I(t)=\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2\{f(x)-f(t)\}dx=\int_0^{\sqrt[3]{2}}x^2f(x)dx-\frac23f(t), 따라서 I′(t)=−23f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=-\frac23f^{\prime}(t)임을 보이고 I′(t)<0\displaystyle I^{\prime}(t)<0이므로 t=23\displaystyle t=\sqrt[3]{2}일 때 I(t)\displaystyle I(t)가 최소임을 답한 경우15
2I′(t)=23f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=\frac23f^{\prime}(t) 또는 I′(t)=−23f′(t)\displaystyle I^{\prime}(t)=-\frac23f^{\prime}(t)임을 보였으나 이후의 풀이를 제대로 제시하지 못한 경우10
2문제의 의미를 알지 못함0

※ 채점 기준 충족 정도에 따라 부분점수가 부여될 수 있음

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